초미세 은 입자 삽입···배터리 수명, 안전성 강화
국내 연구진이 차세대 '무음극배터리' 난제를 해결했다.
한국원자력연구원 연구팀이 무음극배터리 문제점을 해결할 수 있는 맥신 복합체를 개발하고 중성자 소각산란 장치로 정밀 분석해 성능을 입증했다고 27일 밝혔다.
무음극배터리는 음극이 없어 작고 가벼우면서도 에너지 저장 용량을 크게 개선할 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있다. 특히 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등 높은 에너지 밀도와 경량화가 필요한 분야에서 관심받고 있다.
하지만 무음극배터리는 음극이 없는 구조 때문에 배터리 내부에 이온이 고르게 이동하지 않는 단점이 있다. 금속 이온이 바늘처럼 변하는 수지상돌기가 쉽게 형성되기 대문에 배터리의 수명과 안전성을 저하시킨다.
연구팀은 금속 수준의 전기 전도를 갖추고 유연성이 뛰어난 맥신을 이용해 무음극배터리의 성능을 높일 수 있는 복합체를 개발했다.
맥신은 탄소와 티타늄으로 이뤄진 매우 얇은 층으로 된 소재다. 금속처럼 전기를 잘 전달하면서도 유연해 무음극배터리의 성능을 높일 수 있다. 그러나 기존 맥신 소재만으로는 이온 흐름이 원활하지 않아 배터리를 구동하기 어려웠다.
연구팀은 맥신을 여러 층으로 쌓고 그 사이에 경제성과 전기전도성이 높은 초미세 은 입자를 삽입해 층과 층 사이에 미세한 통로를 만드는 방식으로 이온이 배터리 내부를 골고루 흐를 수 있게 했다.
그러자 기존에는 2.4nm였던 이동 통로를 25nm로 10배 이상 늘리는데 성공했고, 또 이온 흐름이 균일해져 수지상돌기에 의한 전지 손상이 줄어들고, 배터리 성능과 안전성이 크게 향상됐다.
원리는 빨대로 음료를 마실 때 내부 압력을 낮춰 외부 공기압이 음료를 밀어 올리는 원리와 유사한 진공여과 방식을 활용했다.
이상호 박사후연구원(논문 공동제1저자)은 "중성자 소각산란 장치를 활용해 이온 이동 경로를 분석하고, 이온 흐름이 원활함도 확인했다"며 "전기전도도를 측정, 맥신 복합체를 삽입한 무음극배터리가 정상 작동함도 입증했다"고 설명했다.
이번 연구는 국제학술지 '물리화학레터지(Journal of Physical chemistry Letters)' 온라인판 표지논문으로 게재됐다.