UNIST 이상영·곽상규 교수팀, 새로운 리튬 저장 원리 규명 주성미 ▲ UNIST 에너지 및 화학공학부 이상영 교수. (UNIST 제공) ▲ UNIST 에너지 및 화학공학부 곽상규 교수. (UNIST 제공) 차세대 배터리로 꼽히는 ‘리튬 배터리’의 안정성 문제를 해결하는 방법이 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST)는 에너지 및 화학공학부 이상영·곽상규 교수팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 방법을 제안했다고 27일 밝혔다. 리튬 금속은 물에 닿으면 금방 반응해 폭발의 위험이 있는데, 이 문제를 풀고 안정성을 높인 것이다. 이를 통해 용량도 기존 리튬 저장 물질보다 5배 이상 커졌다. 탄소나노튜브는 수㎚ 지름의 속이 빈 원기둥(튜브) 모양 탄소 소재다. 상호작용에 의해 다발 구조를 이루고 있는데, 소재 자체가 가진 공간에 리튬 이온을 저장할 수 있어 배터리 소재로 활용할 수 있다. 하지만 저장 효율이 낮아 활용도가 제한적이었다. 낮은 저장 효율은 기존에 ‘탄소나노튜브의 표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된다’는 가설로 설명했다. 하지만 튜브 다발의 밀도가 높아 겉보기 표면적이 작아진 경우에도 부반응에 참여하는 리온 이온 숫자가 그대로인 현상을 설명할 수 없었다. 표면적이 작으면 더 적은 양의 리튬 이온이 소모돼야 하는데, 그렇지 않았다는 것이다. 공동 연구팀은 탄소나노튜브 표면이 아닌 ‘각 다발이 이루는 내부 구조’에 주목했다. 연구팀은 튜브 다발의 밀도를 정밀하게 제어하면서 그 구조에 따른 현상을 관찰한 결과, ‘튜브 다발 사이에 리튬 이온이 갇히는 현상’을 입증했다. 표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된 게 아니라 다발 내부 구조에 갇혀서 반응에 참여하지 못한다는 것을 밝혔다. 연구진은 이 현상을 반대로 이용해, 리튬 금속 배터리의 안정성을 높이는 방법을 제안했다. 리튬 이온을 탄소나노튜브 구조에 가뒀다가 리튬 금속으로 추출해 사용하는 방식이다. 리튬 금속의 산화 반응성을 줄이고, 리튬을 안정적으로 보관할 수 있다는 것이다. 실제 탄소나노튜브에 갇힌 리튬의 산화 안정성 실험을 통해 물속에 넣어도 격렬한 산화 반응이 일어나지 않는 것을 확인했다고 연구팀은 밝혔다. 이상영 교수는 “이번 연구는 안전한 리튬 금속을 연구하는 새로운 방향을 제시해 차세대 리튬 금속 배터리의 상용화에 꼭 필요한 ‘고안전성 리튬 저장 기술’ 개발의 발판을 마련했다”며 “특히 대기 중에 노출하는 것은 물론 물 속에서도 산화 반응이 없는 높은 수준의 안전성을 구현했다”고 말했다. 과학기술정보통신부 중견연구자(도약)지원사업과 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 KISTI의 슈퍼컴퓨터를 활용해 이뤄졌다. 연구 성과는 나노분야 세계 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 표지 논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.
울산과학기술원(UNIST)의 에너지 및 화학공학부 이상영·곽상규 교수팀은 리튬 금속은 물에 닿으면 금방 반응해 폭발의 위험이 있는데, 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 방법을 제안하여 나노분야 세계 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 표지 논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.