■ FOCUS

- Post-리튬 이차전지 개발해 <네이처 나노테크놀로지> 게재

- 극미세 기공 제어 분리막 개발로 유기배터리 구현 앞당겨
- 고에너지 밀도 필요한 전기자동차 등에 활용 가능성

▲ (왼쪽부터) 공대 재료공학부 강기석 교수, 공동1저자인 Songyan Bai 연구원과 김병훈 연구원

서울대학교 재료공학부 강기석 교수 연구팀이 Post-리튬 이차전지를 개발해 학계의 큰 주목을 받고 있다. 연구 논문은 세계적인 학술지 〈네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)〉에 11월 2일자로 게재되었다.

지속가능한 재생에너지의 수요가 급증하면서 생산한 재생에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템(ESS)을 발전시키는 것이 세계적인 화두로 떠올랐다. 리튬 이차전지는 에너지 충전과정과 저장한 에너지를 사용하는 방전과정을 반복적으로 사용할 수 있고, 높은 에너지 밀도를 가져 ESS로 많이 사용되고 있다.

이번 연구는 차세대 배터리 소재로 주목받는 유기물 이차전지*의 수명저하 문제를 극복할 방법을 개발한 것으로 추후 상용화 가능성을 크게 높인 결과다. 고에너지 밀도가 필요한 전기자동차를 비롯해 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System) 등에 활용할 수 있으며 장기적으로는 전이금속* 기반의 현 양극소재를 대체할 수 있다. * 유기물 이차전지 : 양극 소재가 산화환원이 가능한 유기 분자로 구성된 이차전지. * 전이금속: 주기율표에서 4~7 주기, 3~12 족에 해당하는 금속 원소. 산화환원이 용이하다.

유기물 이차전지는 자원 획득이 용이하고 저렴해 전이금속을 대체할 대안으로 각광받고 있는데 수명 저하 이슈가 걸림돌로 작용하고 있었다. 연구팀은 수명저하의 근본적인 이유가 ‘용해된 유기물 전극분자가 반대편 음극까지 이동하는 현상(셔틀 현상) 때문’이라는 것을 밝혔다.

이러한 셔틀현상을 억제하기 위하여 전지 내에 리튬 이온과 전해질 분자는 통과하면서 유기물 전극 분자 이동은 가로막을 수 있는 극미세 기공이 제어된 분리막을 개발하였다. 이를 양극과 음극 사이에 도입함으로써 유기물 이차전지의 수명특성을 비약적으로 향상시키는 데 성공하였다.

연구팀은 금속유기구조체(MOFs)라는 소재가 격자구조 내부에 균일하고 규칙적으로 수많은 구멍들이 존재하며 MOFs의 구성요소인 금속단위와 유기물단위를 적절하게 선택하고 조합하면 서브 나노미터 수준에서 구멍의 크기를 원하는 대로 조절할 수 있다는 점에 착안하였다.

분리막의 나노공정을 통하여 전해질 염 분자들은 통과시키면서 유기물 전극 분자들의 이동은 억제할 수 있는 MOFs 분리막(zeolite imidazole framework-8(ZIF-8))을 만들어냈다. MOFs 분리막을 도입한 결과 2,000번의 장기간 충전 방전 사이클 후에도 전극의 용량이 80 % 이상 유지되는 것을 확인하였다. 이는 용량이 수백 사이클 이내에 절반 이하로 떨어지는 지금까지 보고된 일반적인 유기물 이차전지에 비해 비약적으로 발전된 우수한 성능으로 신 분리막 기반 유기물 전지의 우수한 에너지 효율 및 수명특성이 가능함을 보여주었다.

유기물 전극소재는 핵심 구성원소가 탄소, 수소, 산소이고 biomass를 통해 쉽게 얻을 수도 있기 때문에, 자원의 획득에 대한 문제점들이 상당히 줄어들게 된다. 아주 제한적인 양의 전이금속을 포함하기 때문에 전구체의 가격이 매우 저렴하고, 공정 개발에 따라 생산 가격을 조절할 수 있어 생산가격을 낮추는데도 매우 용이하다.

친환경적이고 값이 저렴한 유기물 전극소재는 매우 중요한 대안이며, 이러한 새로운 개념의 친환경 양극소재의 가장 큰 기술적 난제를 해결한 것은 큰 의미와 파급을 갖는다.

강기석 교수는 “극미세 기공 제어 분리막 소재의 성공적인 개발과 가능성은 유기물 이차전지도 장기 사이클 동안 충전·방전이 가능한 에너지 저장장치로 개발될 수 있음을 확인했다는 점에서 고무적이며 차세대 소재로서 추후 상용화의 발판을 놓아 줄 우수한 연구 결과”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단의 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 11월 2일 게재되었다.

그림1. MOFs 분리막 공정을 통한 유기물 전극 이동의 선택적 제어

(a) 금속 단위와 유기물 단위가 결합하여, 나노 수준의 이동통로를 가진 MOFs 분리막을 고안하고 합성하였다. 졸 겔 공정을 도입하여 구멍이 균일하고, 밀도가 높으면서, 내충격성이 강한 MOFs를 합성하는데 성공하였다.
(b) 고안된 MOFs 분리막의 구멍은 크기가 큰 유기물 전극 분자보다는 작고, 크기가 작은 전해질 염에 해당하는 분자들보다는 크다. 따라서 충전·방전에 필요한 분자들의 이동은 허용하면서, 용해된 유기물 전극이 다른 전극으로 이동하는 것은 막을 수 있다.

그림2. MOFs 분리막 도입을 통한, 유기물 이차전지 성능의 획기적인 향상.

(a) (좌)제작한 MOFs 분리막을 유기물 이차전지에 도입한 결과, 전지의 수명특성이 획기적으로 향상되었다. 기존 분리막을 쓴 경우, 60 사이클 이내에 전지용량이 절반 이하(~43.0%)로 감소하는 데 반해, 신 MOFs 분리막을 도입하면 100 사이클 동안 전지용량의 ~82.0%가 보존되는 것을 확인하였다.
(우) 충전·방전을 반복한 후 음극의 표면을 관찰하면 기존 분리막을 사용한 경우 이동해온 유기물 전극 분자와 음극의 반응으로 표면 입자가 불균일한 것을 확인하였다. 반면 MOFs 분리막을 도입한 경우 유기물 전극 분자의 이동이 억제되어 깨끗한 음극 표면이 유지되었다.
(b) 제작한 MOFs분리막을 도입한 경우 2000번의 장주기 충전·방전 사이클 이후에도 대부분의 전지 용량(~82.9%)이 보존되는 것을 확인하였다. 이때 사이클 당 용량 감소는 0.008% 밖에 되지 않으며 유기물 이차전지에서도 장주기 충전·방전이 가능하다는 것을 보여주는 놀라운 결과다.

문의 : 재료공학부(02-880-7165 / matlgen1@snu.ac.kr)