▲ 고분자 블렌드를 이용한 다공성 2차원 무기질 나노코인의 합성에 대한 모식도와 실험 결과

국내 연구진이 서로 다른 크기의 기공을 동시에 가지고 있는 다공성 2차원 무기질 나노소재를 합성하는 새로운 기술을 개발해, 리튬황전지의 성능을 높이는데 성공했다.

카이스트는 합성기술이 다공성 무기질 소재를 동전처럼 둥글고 납작한 형상으로 제어할 수 있고, 크기 및 두께 등의 물성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 기술이라고 24일 밝혔다.

연구진은 해당 소재를 통해 리튬-황 이차전지의 분리막에 사용돼 리튬-황 전지의 성능 저하 원인으로 꼽히는 리튬폴리설파이드의 용출을 효과적으로 억제해 성능을 높이는 데 성공했다.

기존의 다공성 2차원 무기질 소재의 합성 방법은 기판을 이용하거나 별도의 주형을 사용하는 방식으로 소재의 형상 원판처럼 제어함과 동시에 두께를 조절하는 것에 한계가 있었다.

또, 다공성 구조를 형성하기 위해서는 추가적인 공정이 필요한데, 이를 위해 용액에서 양친성 분자를 이용한 구조를 도입하려 시도했지만, 무기질 전구체의 반응을 제어하기 쉽지 않다는 문제가 발생했다.

연구팀은 블록공중합체와 단일중합체의 고분자 블렌드의 상거동을 이용해 새로운 합성 방식을 제시, 다공성 2차원 무기질 나노코인을 3나노미터(㎚) 두께로 합성하는 데 성공했다.

서로 섞이지 않는 단일중합체와 블록공중합체의 계면에너지가 달라짐에 따라서 나노구조의 배향과 입자의 모양이 달라지는 원리를 이용했으며 나노구조의 형성을 위해서 무기질 소재 내부에 함께 자기조립 된 블록공중합체가 제거되면서 마이크로 기공이 형성됐다.

이 합성 방법은 별도의 주형이 필요하지 않은 간단한 원팟(one-pot) 방법으로 기존의 복잡한 과정을 혁신적으로 줄여 생산력을 증대시켰다.

▲ 리튬-황 이차전지에서의 기능성 분리막으로서의 역할 모식도

또 연구팀은 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인을 차세대 전지인 리튬-황 이차전지의 분리막에 코팅해 리튬-황 전지의 성능을 높였다.

리튬-황 배터리의 큰 문제점은 황이 충·방전 과정에서 새어나간다는 점이다. 개발된 나노소재는 분리막에 약 2 마이크로미터(㎛)로 얇게 코팅돼 용출되는 리튬폴리설파이드를 물리적·화학적으로 억제에 성공했다.

나노코인의 다공성 구조는 전해질과 리튬이온은 통과시키는 반면, 리튬폴리설파이드는 필터처럼 걸러 물리적으로 막고, 알루미노실리케이트는 고체산으로 염기성질을 가진 리튬폴리설파이드를 흡착하여 용출을 억제한다. 이를 통해서 분리막의 두께 대비 용량을 향상, 세계 최고 수준의 결과를 얻었다.

연구팀의 합성기술은 블록공중합체의 분자량 및 고분자 대비 질량을 조절해 손쉽게 나노구조를 조절할 수 있고 다른 소재로의 확장도 가능하여 맞춤형 나노소재로도 활용할 수 있을 것으로 보인다.

카이스트 생명화학공학과 이진우 교수는 “고분자에서 일어나는 현상을 이용한 새로운 다공성 2차원 무기 소재를 합성기술이 기존 기술의 문제점을 해결할 수 있음을 보여줬다”고 설명하면서 “고분자 분야와 무기 소재 합성을 잇는 연구가 실용적인 에너지 장치 성능 향상에 큰 기여를 할 수 있을 것이다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구의 지원을 통해 수행됐으며 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’ 2021년 9월 1일자 온라인판에 게재됐다.