KAIST, 이재우 교수 연구팀 이산화탄소 처리해 개발
단일공정으로 경제적, 다양한 분야 적용 가능

이산화탄소를 이용해 맥신을 산화하고 이를 양극과 분리막에 적용한 모식도.<사진= KAIST>
이산화탄소를 이용해 맥신을 산화하고 이를 양극과 분리막에 적용한 모식도.<사진= KAIST>
신소재 맥신에 이산화탄소를 처리해 나노입자를 고르게 분포하게 하면서 리튬-황 전지의 성능을 강화할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST(총장 신성철)는 이재우 생명화학공학과 교수 연구팀이 나노 신소재 맥신(MXene)과 이산화탄소와의 반응을 통해 산화 티타늄 나노입자가 고르게 분포된 판형 구조 맥신을 합성하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

맥신은 전기전도도가 높고 유연성이 뛰어나 센서, 에너지 저장·전환 장비, 전자기차 폐수처리 재료 등 다양한 분야에 활용 가능한 신물질이다. 때문에 그래핀이나 탄소나노튜브를 대체할 차세대 물질로 주목된다.

연구팀은 수용액 상태에서 표면을 벗겨낸 맥신과 이산화탄소와의 반응을 통해 산화 티타늄 나노입자가 맥신 표면에 고르게 분포된 판형 맥신을 합성하는데 성공했다. 이는 단일공정으로 경제적이고 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

맥신을 리튬-황 전지의 양극 물질로 활용하려면 활물질인 황을 수용할 공간을 제공해줘야 한다. 또 충방전 과정에서 생성된 리튬 폴리설파이드가 전해질에 녹아 음극 쪽으로 이동해 발생하는 셔틀현상을 막을 수 있어야 한다. 셔틀현상은 방전 과정 중 중간물질이 전해질에 녹아 양극과 음극 사이에 확산되면서 전지 내에서 소비되는 현상이다. 양극 활물질 손실과 사이클링 성능 저하의 원인이 된다.

연구팀은 맥신이 포함된 수용액에 초음파를 주입해 맥신을 박리시켜 단일 맥신층을 다량으로 제조했다. 이를 통해 충분한 공간을 확보하고 이산화탄소와 맥신 층을 반응시켜 표면에 리튬 폴리설파이드를 흡착할 수 있는 다량의 산화 티타늄 나노입자를 고르게 합성해 문제를 해결했다.

산화 금속이 고르게 분포된 판형 맥신 제작기술은 맥신 전구체 종류에 상관없이 적용할 수 있다. 연구팀에 의하면 길이 50~100나노미터(nm), 지름 20나노미터의 땅콩 모양 나노입자들이 형성되는 판형 맥신 제조 가능성을 확인했다.

연구팀 관계자는 "산화 금속 판형 맥신 제조공정은 수용액처리, 이산화탄소와의 반응으로 이뤄진 단순화된 공정"이라면서 "때문에 온도, 반응시간 조절로 다양한 판형 소자 제조 및 비용 절감이 가능하고 리튬-황 전지 성능을 강화하는데 기여할 것"이라고 설명했다.

제1 저자인 이동규 박사과정 학생도 "이산화탄소와의 반응을 통해 제조된 산화 금속 판형 맥신은 리튬-황 전지의 양극뿐 아니라 분리막에 필름 형태로 성형해 셔틀 현상을 이중으로 방지할 수 있는 막을 제조할 수 있다"면서 "균일한 금속산화물 나노입자가 형성된 판형 맥신은 전극 및 다양한 에너지 저장장치 소자에 사용될 것"이라고 소개했다. 

한편 이번 연구는 한국연구재단의 Global Research Development Center Program과 Korea CCS R&D Center 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 국제 학술지 'ACS 나노 (ACS Nano)'에 지난달 30일 온라인 게재됐다.

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