[ 신기술 ] “ 나노 기술 로 힘세 고 오래가 는 배터리 만든다 ” 
 2019 년 7 월 1 일 ( 월 ) 00 : 00 : 00 | 지면 발행 ( 2019 년 7 월 호 - 전체 보 기 ) 
 “ 나노 기술 로 힘세 고 오래가 는 배터리 만든다 ” 
 리튬 이온 전지 및 해수 전지 등 분야 서 주목 
 일반 적 인 전자 기기 뿐 만 아니 라 , 최근 친환경 산업 으로 각광 받 는 전기 자동차 나 태양광 발전기 , 해수 전지 등 에 는 배터리 가 필수 적 으로 사용 되 기 때문 에 , 그 어느 때 보다 이 에 대한 중요 성 이 부각 되 고 있 다 . 하지만 기존 방식 으로 는 배터리 개발 에 한계 가 있 는 만큼 , 세계 적 으로 나노미터 ( ㎚, 10 - 9 m ) 단위 로 들여다보 면서 성능 을 향상 시키 려는 연구 가 활발 하 다 . 국내 연구 진 에서 도 배터리 전극 을 나노 단위 로 구현 해 성능 을 향상 시키 는 기술 을 속속 개발 하 고 있 다 . 
 정리 김경한 기자 │ 자료 UNIST , IBS 
 UNIST ( 울산 과학 기술원 ) 에너지 및 화학 공학부 이현욱 · 김영식 교수 팀 이 탄소 섬유 의 나노 단위 틈새 로 액체 금속 이 스며들 게 하 는 공정 으로 성능 이 뛰어난 금속 전극 을 개발 해 고 성능 금속 배터리 상용 화 의 길 을 열 었 다 . 
 한편 , IBS ( 기초 과학 연구원 ) 나노 입자 연구 단 현택환 단장 , 성영 은 부 연구 단장 팀 은 나노미터 크기 의 이산화 티타늄 을 이용 해 리튬 이온 전지 의 용량 을 기존 대비 30 % 이상 향상 시키 는 배터리 제조 기술 을 선보였 다 . 
 나노 틈새 통해 고 성능 금속 배터리 전극 개발 
 바다 속 나트륨 활용 하 는 해수 전지 적용 기대 
 배터리 용량 을 늘리 는 이상 적 방법 으로 금속 전극 을 쓰 는 ‘ 금속 배터리 ’ 가 주목 받 고 있 다 . 이 를 위해선 금속 전극 의 수명 과 안정 성 을 높여야 하 는데 , 이 과제 를 풀 고 대량 생산 까지 성공 한 연구 가 나왔 다 . 
 UNIST 에너지 및 화학 공학부 이현욱 · 김영식 교수 팀 은 탄소 섬유 의 미세 한 틈새 로 액체 금속 이 스며들 게 하 는 공정 을 통해 고 성능 금속 전극 ( 탄소 섬유 - 금속 복합 재 ) 을 개발 했 다 . 이 공정 을 이용 해 리튬 ( Li ) 이나 나트륨 ( Na ) 금속 전극 을 대량 생산 하 는 기술 도 확보 했 다 . 
 연 구진 은 이 기술 로 대량 생산 한 나트륨 금속 전극 을 ‘ 10 kW 급 해수 전지 에너지 저장 장치 ( ESS ) ’ 에 적용 하 기 도 했 다 . 지난해 12 월 에 는 동서 발전 화력 발전소 에 장착 해 약 한 달 간 시범 시험 을 진행 했 다 . 
 이현욱 교수 는 “ 금속 배터리 의 성능 향상 에 초점 을 맞추 던 기존 연구 들 과 달리 , 상용 화 측면 에서 접근 하 면서 전극 소재 의 대량 생산 을 시도 해 성공 했 다 ” 며 “ 전극 소재 를 실제 장비 에 적용 한 시험 도 진행 한 만큼 ‘ 고 성능 금속 배터리 ’ 상용 화 에 도 기여 할 것 ” 이 라고 말 했 다 . 
 [ 그림 1 ] 탄소 섬유 - 금속 함침 공정 의 개략 도 
 ( a ) 녹여서 액체 상태 가 된 리튬 이나 나트륨 금속 을 열처리 된 탄소 직물 에 접촉 시키 면 자연스레 스며들 면서 전극 이 만들 어 진다 . ( b ) 기존 금속 전극 은 구 
 리 도전체 에 다른 구조 체 없이 금속 만 올려 두 는 형태 라 충 · 방전 했 을 때 리튬 이나 나트륨 금속 의 결정 이 불 규칙 하 게 성장 한다 . ( c ) 이 와 달리 , 탄소 섬유 에 
 리튬 이나 나트륨 금속 을 스며들 게 만들 면 미세 한 틈 사이 로 안정 적 증착 이 일어난다 . 
 금속 전극 은 기존 흑연 전극 보다 용량 이 약 10 배 정도 큰 데 다 구동 전압 이 낮 아 차세대 음극 물질 로 각광 받 는다 . 하지만 배터리 구동 시 전극 표면 에 나뭇가지 모양 의 결정 ( 수지상 결정 ) 이 생기 면서 성능 이 낮 아 지 는 고질 적 문제점 을 안 고 있 다 . 
 이번 연구 에서 는 탄소 섬유 를 가공 해 미세 한 틈새 를 만들 고 , 여기 에 금속 액체 를 스며들 게 하 는 방식 으로 새로운 금속 전극 을 제작 했 다 . 탄소 섬유 사이 에 리튬 이나 나트륨 금속 이 스며든 복합 재 는 배터리 구동 시 수지상 결정 의 형성 이 제어 됐 다 . 그 덕분 에 금속 전극 의 안정 성 이 향상 됐 고 , 배터리 전체 수명 도 늘어났 다 . 
 공동 1 저자 인 김민호 UNIST 에너지 공학 과 석 · 박사 통합 과정 연구원 은 “ 나노미터 수준 의 미세 한 틈새 가 생기 면서 ‘ 모세관 현상 ’ 이 일어나 액체 금속 이 순식간 에 스며들 었 다 ” 며 “ 탄소 섬유 가 구조 체로 존재 하 자 금속 만 전극 으로 쓰 던 기존 에 비해 구조 적 안정 성 이 크 게 늘어났 다 ” 고 설명 했 다 . 
 금속 액체 는 탄소 섬유 에 닿 자마자 스며들 기 때문 에 , 전극 제작 에 는 10 초 정도 소요 된다 . 탄소 섬유 는 천 등 의 옷감 같 은 직물 형태 라 유연 성 이 뛰어난데 , 이 점 을 이용 하 면 전극 모양 도 자유 롭 게 제작 할 수 있 다 . 
 공동 1 저자 고우석 UNIST 에너지 공학 과 석 · 박사 통합 과정 연구원 은 “ 해수 전지 는 바닷물 에 담그 기 쉽 고 적층 하 기 쉬운 ‘ 사각형 주머니 형태 ’ 로 제작 하 고 있 다 ” 며 “ 탄소 섬유 - 금속 복합 재 는 쉽 게 다양 한 형태 로 만들 수 있 고 , 사각형 주머니 형태 의 배터리 에 도 꼭 맞춘 형태 의 전극 을 제작 할 수 있 다 ” 고 전했 다 . 
 김영식 교수 는 “ 해수 전지 는 무한 한 바닷물 속 나트륨 이온 을 활용 하 기 때문 에 자원 고갈 의 염려 가 없 는 새로운 에너지 저장 시스템 ” 이 라며 “ 배터리 의 성능 을 향상 시킬 전극 을 개발 하 고 대량 생산 공정 까지 갖춘 만큼 상용 화 도 더욱 앞당겨질 것 ” 이 라고 전망 했 다 . 
 [ 그림 2 ] 공정 에 의한 탄소 섬유 의 특성 변화 분석 과 전지 성능 평가 
 탄소 섬유 를 열처리 하 기 전 ( a ~ c ) 과 열처리 한 후 ( d ~ f ) 에 보이 는 특성 이 다 . 열처리 전 에 는 미세 한 틈 이 형성 되 지 않 아 금속 액체 방울 이 스며들 지 
 않 지만 ( a ) , 열처리 후 에 는 미세 한 틈 이 무수히 많 아 져 금속 액체 방울 이 빠르 게 스며든다 ( d ) . 열처리 후 ( f ) 에 는 미세 한 틈 덕분 에 늘어난 표면적 이 
 열처리 전 ( c ) 에 비해 약 120 배 가량 증가 한 것 을 보여준다 . 
 이번 연구 수행 은 과학 기술 정보 통신부 · 한국연구재단 기후 변화 대응 기술 개발 사업 과 기초 연구실 지원 사업 의 지원 으로 이뤄졌 다 . 연구 결과 는 국제 학술지 나노 레터 스 ( Nano Letters ) 에 표지 논문 ( Supplementary Cover ) 으로 선정 돼 출판 을 앞두 고 있 다 . 
 이산화 티타늄 나노 입자 로 용량 한계 극복 
 나노 구조 적용 해 배터리 저장 성능 30 % 향상 
 휴대 용 전자 기기 의 발전 과 함께 한 번 의 충전 으로 오래 도록 사용 할 수 있 는 ‘ 백만 돌 이 ’ 같 은 배터리 개발 이 요구 되 고 있 다 . 더욱이 전기 자동차 등 의 수요 증가 로 현재 의 배터리 용량 을 월등히 뛰어넘 는 혁신 적 배터리 가 필요 해진 상황 이 다 . 
 기초 과학 연구원 ( IBS ) 나노 입자 연구 단의 현택환 단장 , 성영 은 부 연구 단장 팀 은 리튬 이온 전지 의 용량 을 기존 대비 30 % 이상 끌어올릴 수 있 는 신 개념 배터리 제조 기술 을 개발 했 다 . 
 리튬 이온 전지 는 스마트폰 , 노트북 은 물론 전기 자동차 까지 고용량 을 요구 하 는 대부분 의 전자 기기 에 쓰인다 . 
 배터리 를 사용 할 땐 ( 방전 ) 음극 에 포함 된 리튬 이온 이 양극 으로 이동 하 고 , 양극 속 으로 삽입 되 는 원리 로 작동 한다 . 충전 시 엔 정반대 의 반응 이 일어난다 . 
 전극 을 중심 으로 산화 · 환원 반응 이 진행 되 기 때문 에 전극 개선 은 리튬 이온 전지 의 용량 을 높이 기 위해 선행 돼야 할 과제 다 . 과학자 들 은 이산화 티타늄 ( TiO ₂ ) 을 기존 흑연 ( 탄소 ) 전극 을 대체 할 새로운 음극 소재 로 지목 하 고 있 다 . 
 격자 구조 를 가진 이산화 티타늄 은 격자 사이 사이 에 리튬 을 저장 할 수 있 어 배터리 용량 을 높이 기에 적합 하 기 때문 이 다 . 하지만 이산화 티타늄 을 전극 으로 구현 한 기존 리튬 이온 전지 의 용량 은 이론 적 예상 용량 의 절반 수준 에 그친다는 점 이 상용 화 의 걸림돌 이 됐 다 . 
 [ 그림 3 ] 이산화 티타늄 나노 구조 체의 리튬 저장 장면 
 연구 진 은 속 이 빈 구 형태 의 이산화 티타늄 나노 구 조체 를 전극 으로 활용 했 을 때 가장 안 
 정적 이 면서 효율 적 으로 리튬 을 저장 한다는 사실 을 규명 했 다 . 
 연구 팀 은 수 나노미터 크기 의 이산화 티타늄 나노 입자 를 이용 해 기존 배터리 의 용량 한계 를 극복 할 음극 소재 를 발굴 했 다 . 우선 나노 이산화 티타늄 입자 의 크기 와 구조 를 바꿔 가 며 다양 한 구조 를 합성 하 고 , 최적 의 구조 를 찾 는 실험 에 도입 했 다 . 
 그 결과 수 ㎚ 크기 이산화 티타늄 입자 가 속 이 빈 구 형태 ( hollow nanostructure ) 의 2 차 입자 를 형성 할 때 가장 안정 적 이 면서 효율 적 으로 리튬 을 저장 한다는 사실 을 규명 했 다 . 연 구진 은 이 구조 가 넓 은 표면 에서 일어나 는 리튬 과 의 화학 적 반응 은 최소 화 하 면서 도 리튬 이 내부 로 삽입 되 는 반응 의 비중 을 키우 기 때문 에 높 은 용량 을 내 기 유리 하 다고 설명 했 다 . 
 이 어 연구 팀 은 이 나노 구조 를 음극 으로 적용 한 리튬 이온 전지 를 개발 하 고 , 전극 의 미시 적 구조 와 배터리 의 성능 사이 관계 를 분석 했 다 . 개발 된 배터리 는 리튬 이온 저장 성능 을 30 % 이상 향상 시킬 수 있 으며 , 500 회 이상 충 · 방전 을 반복 해도 고용량 , 고출력 성능 을 유지 하 는 것 으로 나타났 다 . 
 성영 은 부 연구 단장 은 “ 이번 연구 에서 개발 된 구조 는 나노 입자 의 성능 한계 와 안정 성 , 안전 문제 를 모두 해결 할 수 있 는 새로운 방향 을 제시 한 것 으로 , 이산화 티타늄 뿐 아니 라 모든 나노 입자 에 적용 가능 하 다 ” 며 “ 나노 입자 를 활용 해 배터리 성능 을 향상 시킬 수 있 는 새로운 길 이 열린 것 ” 이 라고 강조 했 다 . 
 연구 결과 는 화학 분야 최고 권위지 인 ‘ 미국 화 학회지 ( Journal of the American Chemical Society , JACS ) ’ 11 월 27 일자 온라인 판 에 실렸 다 . 
 태그 : 나노 기술 
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