원자력연, 무음극배터리용 맥신 복합체 개발

[이데일리 강민구 기자] 한국원자력연구원 연구팀이 무음극배터리 문제점을 해결할 수 있는 맥신 복합체를 개발하고, 중성자 소각산란 장치로 정밀 분석해 성능을 입증했다.

무음극배터리는 기존 배터리에서 음극을 없애 더 작고 가벼우면서 에너지 저장 용량은 늘어난 차세대 배터리이다. 무음극배터리는 음극이 없는 구조로 배터리 내부에 이온이 고르게 이동하지 않아, 금속 이온이 바늘처럼 변하는 수지상돌기가 쉽게 형성돼 배터리 수명과 안전성이 떨어졌다.

연구진의 증명사진.(왼쪽부터)이상호 원자력연 박사, 장종대 원자력연 박사, 이용희 경북대 교수, 진형민 충남대 교수.(사진=한국원자력연구원)

연구팀이 이에 맥신 복합체를 개발하고 문제를 해결했다. 맥신은 탄소와 티타늄으로 구성된 얇은 층의 소재이다. 금속처럼 전기를 잘 전달하면서도 유연해 무음극배터리 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 층사이에 미세한 통로를 만들었다. 이후 맥신 복합체를 양극에서 이동한 이온이 저장되는 금속판 위에 도포한 결과 2.4nm였던 이동 통로 넓이를 25nm로 10배 이상 늘려 이온이 통로를 따라 배터리 내부에 흘러가도록 했다. 이온 흐름이 균일하면 수지상돌기에 의한 전지 손상이 줄어 배터리의 성능과 안전성이 향상됐다.

맥신 복합체 성능을 검증한 결과에서도 이온 흐름이 원활한 것으로 나타났다. 전기전도도를 측정한 결과에서 맥신 복합체를 삽입한 무음극배터리가 정상 작동했다.

이상호 원자력연 박사는 “맥신과 같은 이차원 소재의 미세경로 조절기술은 무음극전지에서 안전성과 수명을 연장하는 핵심기술”이라며 “향후 이차전지 연구에 다양성을 제공할 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘물리화학레터지(Journal of Physical chemistry Letters)’ 온라인판에 게재됐다.

한국원자력연구원이 개발한 무음극 배터리 소재 관련 연구가 ‘물리화학레터지’ 온라인판 표지 논문으로 게재됐다.(자료=한국원자력연구원)