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최근 웨어러블 기기, 드론, 로봇, 도심항공교통(UAM) 등의 상용화가 도래하면서 고성능·대용량 전지의 필요성이 커졌다. 이에 따라 흑연 대신 리튬 금속을 전지의 음극 소재로 활용하는 기술이 연구되고 있다. 흑연을 사용하면 충·방전 시 표면에 뾰족한 가시(덴드라이트)가 자라나 단락(합선)을 일으키기 쉽고 수명이 짧다는 문제점이 있어서다.
연구팀은 ‘속은 비우고 겉은 닫는’ 새로운 개념의 설계로 문제를 해결했다. 먼저 2차원 소재인 맥신(MXene)에 폴리스티렌 나노입자를 섞어 여과한 뒤 열처리로 나노입자를 제거했다. 이를 통해 내부에 리튬을 저장할 공간이 넉넉한 ‘3차원 다공성 맥신 호스트(뼈대)’를 만들었다.
이어 뼈대의 겉면에 얇은 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 고분자 박막을 입혀 마치 피부처럼 전극을 감싸는 ‘스킨 패시베이션 층(Skin-PASS)’을 구현한 것이다. 그 결과 고속 충전에도 무리 없이 작동하고 새어 나가는 전기 없이 충전량을 온전히 쓸 수 있게 됐다. 또 1000회 이상 충·방전을 반복해도 성능이 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.
이번 연구는 한국연구재단과 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행했다. 고려대 KU-KIST융합대학원 허영훈 석박사통합과정생과 한국과학기술연구원(KIST) 이주연 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 저명 국제학술지(Advanced Functional Materials)에 게재됐다.
연구진은 “이번 연구가 앞으로 고속 충·방전이 가능하면서도 안전하고 오래가는 고에너지 리튬 금속 전지 및 리튬-황 전지 개발에 중요한 기반이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
