[뉴스토마토 서경주 기자] 배터리에는 +- 양극과 음극이 있지만 무음극 배터리도 있습니다. 무음극 배터리(anode-free battery)는 기존 배터리에서 음극을 제거하여 더 작고 가볍지만, 에너지 저장 용량은 더 큰 차세대 배터리로 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등 높은 에너지 밀도와 경량화가 필요한 분야에서 관심을 모으고 있습니다.

 

기존의 리튬 이온 배터리에서는 양극과 음극이 있으며, 리튬 이온은 음극에서 양극으로 이동하거나 그 반대 방향으로 이동하면서 충전과 방전이 이루어집니다. 하지만 무음극 배터리는 음극을 물리적으로 포함하지 않고, 대신 리튬 이온을 다른 방식으로 저장하고 방출합니다.

 

이온의 흐름은 배터리의 성능을 결정하는 중요한 요소입니다. 하지만 무음극 배터리는 음극이 없기 때문에 충전 과정에서 리튬이 비정상적으로 성장하면서 나뭇가지처럼 자라는 리튬 덴드라이트(Lithium Dendrite)라는 결정체가 형성되는 문제가 있었습니다. 이는 배터리 내부에서 단락을 일으킬 위험을 초래하고, 배터리의 수명을 단축시킵니다.

 

한국원자력 연구원은 이런 문제를 해결할 수 있는 맥신(MXene) 복합체를 개발하여 안정성을 정밀 분석하고 성능 입증까지 완료했다고 27일 밝혔습니다. 맥신은 금속과 탄소 원자가 결합하여 층상(層狀)구조로 이루어진 물질로 전도성이 매우 높고 유연해 무음극 배터리의 성능을 높일 수 있는 소재입니다. 그러나 기존의 맥신만으로는 이온의 흐름이 원활하지 않아 배터리의 구동이 쉽지 않았습니다.

 

한국원자력 연구원의 이상호 박사 연구팀은 이런 단점을 극복하기 위해 맥신을 여러 층으로 쌓고 그사이에 전기전도성이 높은 초미세 은 입자를 삽입하여 층과 층 사이에 미세한 통로를 만들었습니다. 복합체를 양극에서 이동한 이온이 저장되는 금속판 위에 입힌 결과 2.4나노미터였던 이온의 이동 통로 폭을 25나노미터로 10배 이상 증가시켜 이온이 배터리 내부에 골고루 흘러가도록 했습니다. 이에 따라 배터리의 안전성을 향상시킬 수 있었습니다.

 

맥신과 초미세 은 입자는 모두 음전하를 띠고 있어서 서로 반발하기 때문에 맥신 층에 은 입자를 밀어넣기기 쉽지 않았습니다. 연구진은 이를 해결하기 위해 내부의 압력을 낮춰 외부와의 기압 차이를 이용해 은 입자를 밀어넣는 데 성공했습니다.

 

연구팀은 중성자 소각산란장치(Small Angle Neutron Scattering)를 이용하여 맥신 복합체의 성능 검증도 마쳤습니다. 검증 과정에서 배터리 내부에서 이온이 원활하게 이동하여 전기 전도도를 안정적으로 유지하는 것을 확인했습니다. 중성자 소각산란장치는 물질의 구조와 성질을 연구하기 위해 중성자 빔을 사용하여 시료에서 10도 미만의 낮은 각도로 산란하는 중성자의 패턴을 분석하는 실험 장비입니다. 주로 물리학, 화학, 재료 과학, 생물학 등의 분야에서 물질의 특성을 조사하는 데 사용됩니다.

 

연구를 주도한 원자력연구원 이상호 박사는 “맥신과 같은 이차원 소재의 미세경로 조절 기술은 무음극 배터리에서 안전성과 수명을 연장하는 핵심기술로 향후 이차전지 연구에 다양성을 제공할 것으로 본다”고 말했습니다.

 

무음극 배터리는 매우 높은 에너지 밀도를 제공할 잠재력을 가지고 있지만, 상용화까지는 여전히 해결해야 할 기술적 과제들이 많습니다. 이번 원자력연구원의 연구 결과는 무음극 배터리의 상용화를 한 걸음 앞당긴 것으로 평가됩니다.

 

이번 연구 결과는 미국 화학학회에서 발행하는 세계적인 학술지 JPCL(Journal of Physical Chemistry Letters) 온라인판 표지 논문으로 실렸습니다.

 

서경주 기자 kjsuh57@etomato.com