한국원자력연구원(이하 원자력연)이 무음극배터리 문제를 해결할 맥신 복합체를 개발하고 성능 입증을 완료했다고 27일 밝혔다.
무음극배터리는 기존 배터리에서 음극을 제거해 작고 가볍지만 에너지 저장용량은 늘어난 차세대 배터리로, 전기자동차, 에너지저장장치(ESS) 등 높은 에너지밀도와 경량화가 필요한 분야에서 각광받고 있다.
그러나 이온 흐름은 배터리 성능을 결정하는 중요 요소로, 음극이 없는 배터리는 이온이 고르게 이동하지 않아 금속이온이 바늘처럼 변하는 덴트라이트(수지상돌기)가 형성되는 등 배터리 수명과 안전성이 저하되는 문제가 있다.
원자력연 연구팀이 개발한 맥신 복합체는 탄소와 티타늄으로 이뤄진 매우 얇은 소재로, 금속처럼 전기전도성이 우수하고 유연해 무음극배터리 성능을 높였다.
연구팀은 기존 맥신 소재가 이온 흐름이 원활치 않아 배터리 구동이 어려웠던 단점을 극복하기 위해 맥신을 여러 층으로 쌓고, 층 사이에 경제성과 전기전도성이 높은 초미세 은입자를 삽입해 미세통로를 만들었다.
이를 양극에서 이동한 이온이 저장되는 금속판 위에 도포한 결과 2.4㎚였던 이동통로 폭이 25㎚로 10배 이상 증가했다.
또 연구팀은 맥신과 은입자가 모두 음전하여서 척력이 발생하는 것을 해결하기 위해 빨대원리와 유사한 진공여과방식을 적용, 내부 압력을 낮춰 기압으로 은입자를 맥신 층 사이로 빠르게 밀어넣는 데 성공했다.
이에 따라 이온이 통로를 따라 배터리 내부에 골고루 균일하게 흘러가면서 덴트라이트에 의한 손상이 줄고 배터리 성능과 안정성이 향상됐다.
연구팀은 맥신 복합체를 중성자 소각산란장치로 이온 이동경로를 분석한 결과 이온 흐름이 원활하고 전기전도도도 정상 작동함을 확인했다.
원자력연 이상호 박사는 “맥신과 같은 이차원 소재의 미세경로 조절기술은 무음극전지의 안전성과 수명을 연장하는 핵심기술”이라며 “향후 이차전지 연구에 다양성을 제공할 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 학연협력플랫폼구축 시범사업 지원으로 수행됐고, 연구결과는 국제학술지 ‘물리화학레터지(Journal of Physical chemistry Letters)’온라인판 표지 논문(Supplementary)으로 게재됐다.
(논문명 : 무음극전지용 맥신 경로 조작을 위한 은나노입자 도입 기술, Tuning MXene Pathways via Silver Nanoparticle Size Variations for Anode-Free Battery Application)
