리튬-황 이차전지에서의 기능성 분리막으로서의 역할 모식도/KAIST 제공
KAIST 생명화학공학과 이진우 교수팀이 다공성 2차원 무기질 나노코인을 합성하는 새로운 기술을 개발했다.
다공성 무기질 소재를 동전처럼 둥글고 납작한 형상으로 제어할 수 있으며 크기와 두께 등의 물성도 정밀하게 제어할 수 있는 기술이다.
리튬-황 이차전지의 분리막에 사용돼 성능 저하 원인으로 꼽히는 리튬폴리설파이드의 용출을 효과적으로 억제하면서 성능을 대폭 향상시켰다.
기존 다공성 2차원 무기질 소재 합성 방법은 기판을 이용하거나 별도의 주형을 사용하는 방식이다.
소재의 형상 원판처럼 제어함에 따라 두께를 조절하는 한계가 있으며 다공성 구조를 형성하기 위한 추가적인 공정 도입이 필요했다.
그동안 용액에서 양친성 분자를 이용한 구조를 도입하려 시도했지만, 무기질 전구체의 반응을 제어하기 쉽지 않다는 문제가 발생했다.
연구팀은 블록공중합체와 단일중합체의 고분자 블렌드의 상거동을 이용해 기존의 문제를 해결하는 새로운 합성 방식을 만들어냈다.
연구팀은 다공성 2차원 무기질 나노코인을 3㎚ 두께로 합성하는 데 성공했다.
서로 섞이지 않는 단일중합체와 블록공중합체의 계면 에너지가 달라짐에 따라서 나노구조의 배향과 입자의 모양이 달라지는 원리를 이용했다.
나노구조의 형성을 위해서 무기질 소재 내부에 함께 자기조립 된 블록공중합체가 제거되면서 마이크로 기공도 형성됐다.
별도의 주형이 필요하지 않은 간단한 원팟(one-pot) 방법으로 기존의 복잡한 과정을 혁신적으로 줄여 생산력을 증대시켰다.
이를 통해 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인을 차세대 전지인 리튬-황 이차전지의 분리막에 코팅해 리튬-황 전지의 성능을 높였다.
분리막에 약 2㎛로 얇게 코팅돼 용출되는 리튬폴리설파이드를 물리적, 화학적으로 억제했다.
나노코인의 다공성 구조는 전해질과 리튬이온은 통과시키는 반면, 리튬폴리설파이드는 필터처럼 걸러 물리적으로 막아준다.
알루미노실리케이트는 고체산으로 염기 성질을 가진 리튬폴리설파이드를 흡착해 용출을 억제한다.
분리막의 두께 대비 용량을 향상시켜 세계 최고 수준의 결과를 얻어냈다.
이번 기술은 블록공중합체의 분자량과 고분자 대비 질량을 조절해 손쉽게 나노구조를 조절할 수 있고 다른 소재로의 확장도 가능해 맞춤형 나노소재로도 활용할 수 있을 것으로 전망된다.
연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’에 1일자 온라인판에 게재됐다.
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