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탄소나노튜브 이용해 리튬 금속배터리 안정성 높이는 기술 개발

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탄소나노튜브 이용해 리튬 금속배터리 안정성 높이는 기술 개발

2019.06.27 13:02
울산과학기술원(UNIST)는 이상영∙곽상규 에너지및화학공학부 교수 연구팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 기술을 개발했다. 조석규(왼쪽) UNIST 박사과정생, 정관영(가운데) UNIST 연구원, 이지윤(오른쪽) UNIST 연구원도 함께 연구에 참여했다. UNIST 제공
울산과학기술원(UNIST)는 이상영∙곽상규 에너지및화학공학부 교수 연구팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 기술을 개발했다. 조석규(왼쪽) UNIST 박사과정생, 정관영(가운데) UNIST 연구원, 이지윤(오른쪽) UNIST 연구원도 함께 연구에 참여했다. UNIST 제공

국내연구팀이 탄소나노튜브를 이용해 ‘리튬 금속 배터리’의 안정성을 높이는 기술을 개발했다. 리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 약 10배 큰 용량을 가져 차세대 배터리로 꼽히지만 금속의 반응성이 커 내구성과 안정성 면에서 취약했다. 


울산과학기술원(UNIST)는 이상영∙곽상규 에너지및화학공학부 교수 연구팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.


탄소나노튜브는 수 나노미터 지름의 크기에 속이 빈 원기둥 모양의 탄소소재로 상호작용에 의한 다발 구조를 가지고 있다. 탄소나노튜브에 리튬 이온을 저장할 수 있어 배터리 소재로 사용가능하지만 저장 효율이 낮다는 단점이 존재한다. 낮은 저장 효율의 요인은 탄소나노튜브의 표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된다는 점이 꼽혔다. 부반응은 주반응과 동시에 제한된 비율 내에서 일어나는 다른 반응을 뜻한다. 하지만 이는 튜브 다발의 밀도가 높아 표면적이 작아진 경우에도 부반응에 참여하는 리튬 이온 숫자가 그대로인 경우를 설명하지 못했다. 


연구팀은 탄소나노튜브 표면이 아닌 탄소나노튜브 내 각 다발이 이루는 내부 구조에 주목했다. 튜브 속 다발의 밀도를 정밀하게 제어하며 그 구조에 따른 현상을 살펴본 결과, 튜브 다발 사이에 리튬 이온이 갇히는 현상을 발견했다. 연구팀은 “표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된 것이 아닌 다발 내구 구조에 갇혀서 반응에 참여하지 못하는 것”이라고 설명했다.


연구팀은 이 현상에서 착안해 리튬 금속 배터리의 안정성을 높이는 기술을 개발했다. 리튬 이온을 탄소나노튜브 구조에 가뒀다가 리튬 금속으로 추출해 사용하는 것이다. 이를 통해 리튬 금속의 산화 반응성을 줄이고, 리튬 보관의 안정성을 높였다. 실제로 리튬 금속 배터리를 물속에 넣어도 격렬한 산화반응이 일어나지 않았다.


공동 제1저자로 연구에 참여한 조석규 UNIST 박사과정생은 “탄소나노튜브의 나노 다발 구조에 리튬을 저장할 수 있다는 걸 처음 밝힌 연구”라며 “탄소나노튜브에 갇힌 리튬이 손실 없이 리튬 금속으로 추출돼 리튬 저장 물질로 사용 가능함을 입증한 만큼 실제 응용을 위한 추가 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.


이 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 물속에서도 산화 반응이 없는 높은 수준의 안전성을 구현한 점이 주목할 부분”이라고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘나노레터스’ 지난달 29일자 온라인판에 발표됐다. 
 

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