UNIST(총장 정무영)는 이현욱·김영식 연구진이 탄소섬유의 미세한 틈새로 액체 금속이 스며들게 하는 공정으로 '고성능 금속전극(탄소섬유·금속 복합재)'을 개발했다고 14일 밝혔다. 이 공정으로 리튬·나트륨 금속전극을 대량생산하는 기술도 확보했다.

금속전극은 기존 흑연 전극보다 용량이 약 10배 크고 구동 전압이 낮아 차세대 음극 물질로 각광받고 있다. 하지만 배터리 구동시 전극 표면에 나뭇가지 모양의 결정이 생겨 성능이 저하되는 문제가 있었다.

연구진은 탐소섬유를 가공해 미세한 틈을 만들었다. 틈 사이에 금속 액체를 스며들게 하는 방식으로 새로운 금속전극을 제작했다. 탄소섬유 사이에 리튬·나트륨 금속이 스며든 복합재는 배터리 구동시 결정의 형성이 제어됐다. 이는 금속전극의 안정성 향상과 배터리 전체 수명 증가로 이어졌다.

공동 1저자 김민호 석박과정 연구원은 "나노미터 수준의 미세한 틈새가 생기면서 모세관 현상이 일어나 액체 금속이 순식간에 스며들었다"며 "탄소섬유가 구조체로 존재하자 금속만 전극으로 쓰던 기존에 비해 구조적 안정성이 크게 늘어났다"고 설명했다.

이 기술로 대량생산된 나트륨 금속전극은 '10kW급 해수전지 에너지 저장장치(ESS)'에 적용되기도 했다. 이 설비는 지난해 12월 동서발전 화력발전소에 장착돼 약 한달간 시범시험을 마쳤다.

공동 1저자 고우석 석박과정 연구원은 "해수전지는 바닷물에 담그거나 적층하기 쉬운 '사각형 주머니 형태'로 제작하고 있다"며 "탄소섬유·금속 복합재는 다양한 형태로의 제작이 쉬워, 사각형 주머니 형태의 배터리에 맞는 전극을 제작할 수 있었다"고 전했다.

김영식 교수는 "해수전지는 바닷물 속 나트륨 이온을 활용해 자원 고갈의 염려가 없는 새로운 에너지 저장 시스템"이라며 "배터리의 성능이 향상된 전극과 대량생산 공정까지 갖춘만큼 상용화도 더욱 앞당겨질 것"이라고 전망했다.

이현욱 교수는 "금속 배터리의 성능 향상에 초점을 맞추던 기존 연구들과 달리, 상용화 측면에서 접근해 전극 소재의 대량생산을 성공했다"며 "전극 소재를 실제 장비에 적용한 시험도 진행한 만큼 '고성능 금속 배터리'상용화에도 기여할 것"이라고 말했다.

한편, 연구 결과는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.