^*모세관현상(capillary phenomenon, 毛細管現象): 액체 속에 폭이 좁고 긴 관을 넣었을 때, 관 내부의 액체 표면이 외부의 표면보다 높거나 낮아지는 현상. 식물 뿌리에서 무기양분과 물을 흡수하는 걸 이것으로 설명할 수 있다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구의 필요성

화석연료 사용이 경제적․환경적인 문제를 야기하면서 신재생에너지에 대한 관심과 수요가 급증했다. 이와 함께 신재생에너지를 저장해둘 수 있는 이차전지의 필요성도 커지고 있다. 특히 리튬 이차전지는 에너지 밀도가 높고, 수명이 길며, 자가 방전율이 낮아 휴대용 전자기기와 에너지 저장 장치(ESS), 전기자동차의 핵심 부품으로 널리 활용되고 있다. 하지만 여전히 높은 소비자들의 기대치를 충족하기 위해 고전압․고용량 전지를 위한 연구가 필요하다.

기존 리튬 이온 전지의 음극에는 주로 흑연이 사용되는데, 용량 한계가 있어 대체재가 필요했다. 여러 후보 중 ‘리튬 금속’은 상용화된 흑연에 비해 10배가량 높은 용량을 가지며, 구동 전압이 낮아 이상적인 차세대 전극소재로 각광받고 있다. 최근 리튬 가격이 높아지면서 리튬 금속보다 상대적으로 저렴하고 풍부한 ‘나트륨 금속’도 이차전지의 음극재로 연구 중이다.

그런데 이런 ① 금속 전극을 사용할 경우, 충전과 방전 시 전극에 나뭇가지 모양으로 생긴 결정(수지상 결정)이 나타나 전지의 성능을 낮추는 문제가 있었다. 또 전지를 첫 번째 충전 과정에서 음극 표면에서 전해액과 첨가제 등이 분해되면서 생기는 ② ‘고체전해질 계면층(Solid Electrolyte Interphase, SEI)’의 개선도 아직 이뤄지지 않고 있다.

이런 문제들을 해결하기 위한 연구들을 통해 리튬이나 나트륨 금속 전극의 성능을 꾸준히 향상됐다. 하지만 제조 공정 자체가 상당히 복잡하고 오랜 시간이 요구되며, 연구실 단계의 소규모 소재 개발을 벗어나지 못해, 실제 상용화하기는 어려운 실정이다. 따라서 실제 전지에 적용할 수 있는 금속 전극을 빠르고 간단하게 대규모로 생산하는 공정 개발이 필요하다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 리튬이나 나트륨 금속을 액체 형태로 만들어 탄소섬유의 미세한 틈 사이에 스며들게 하는 ‘함침(含浸, impregnation)’으로 전극을 만드는 방법을 개발했다. 일반 금속 전극은 별도의 구조체가 없어 충․방전 시 불규칙적으로 수지상 결정이 성장하지만, 탄소섬유가 있는 금속 전극은 구조적으로 안정성을 지니면서 수명도 늘어났다. 특히 이번에 사용한 탄소섬유는 미세한 틈이 무수히 많아 ‘모세관 현상’으로 리튬과 나트륨 금속 액체를 빠르게 흡수한다. 탄소섬유로 이뤄진 견고한 구조체에 고정된 리튬과 나트륨 금속은 충․방전을 반복해도 우수한 안정성을 보였다.

모세관 현상을 이용한 탄소섬유 함침법으로는 단순 접촉만으로 10초 만에 전극 소재를 만들 수 있다. 방법이 간단한데다 빠르고 대량생산도 가능하다는 게 큰 장점이다. 실제로 연구팀은 이 공정법을 이용해 자동화 장비를 제작하고 대량생산을 시도했다. 생산된 탄소섬유 금속 전극은 친환경 차세대 전지로 주목받고 있는 해수전지 시스템에 적용돼 전자기기를 성공적으로 구동시켰다.

3. 기대효과

이번 연구는 금속 전극의 고질적인 문제인 수지상 형성을 억제해 구조적 안정성을 향상시켰다. 이 기술로 만든 음극을 실제 전지에 적용해 전자기기를 작동하는 데도 성공했다. 간단하고 빠르게 고성능 금속 전극을 만들고 적용함으로써 차세대 금속 전지의 상용화를 한 걸음 앞당긴 것이다.

특히 리튬이나 나트륨 금속 전극의 수명과 안정성을 향상시킴과 더불어 기존 연구에서 이뤄내지 못한 대량생산 공정을 개발했다는 데 의미가 크다. 이 기술은 향후 대용량 에너지 저장 장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 아차전지용 음극물질 개발에도 기여할 전망이다.

[붙임] 그림설명

[붙임] 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

실험에 쓰이는 나트륨 금속 전극을 만들기 위해 나트륨 금속 덩어리를 눌러서 포일 형태로 만들어왔다. 실험을 반복하다보니 이 과정이 힘들고 오래 걸려, 전극을 쉽게 많이 만들 수 있는 방법을 고민하게 됐다. 그러던 중 나트륨 금속의 녹는점이 낮으니(97.8℃) 녹여서 얇게 만들 수 있을 것 같다는 생각을 하게 됐다. 우연히 실험실에 있던 열처리된 탄소섬유를 액체 나트륨 금속에 넣어보았고, 탄소 섬유에 쉽게 흡수되는 것을 발견했다. 탄소섬유에 나트륨 금속이 흡수 새로운 물질을 전극으로 사용해 보니, 기존 포일 형태의 전극보다 더 높은 성능이 측정돼 본격적으로 연구를 시작했다.

□ 연구하면서 어려웠던 점은 무엇인지?

새로운 현상을 처음 발견했을 때, 비슷한 연구결과나 논문을 찾아보기가 어려웠다. 따라서 탄소섬유에 액체 금속이 흡수되는 이유를 파악하기 힘들었다. 그리고 리튬이나 나트륨 금속이 공기 중에서 산소와 빠르게 반응하기 때문에 샘플을 분석하는 데 까다로운 부분이 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

리튬이나 나트륨 금속을 전극으로 활용했을 때 수지상 결정을 해결하려는 논문은 많았다. 이번 연구처럼 탄소를 활용하려는 연구도 있었지만, 기존에 진행됐던 연구는 탄소에 특별한 처리를 해야 하거나 대량화하기 힘든 방법을 사용했다. 이번 성과는 상용화돼 있는 탄소섬유에 간단한 열처리만 하는 간단한 방법을 적용하기 때문에 대량화와 대면적화가 쉽다. 또 탄소섬유 자체가 유연해 전극의 모양을 다양하게 만들기도 유리하다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

금속 전극을 사용하는 모든 배터리에 활용 가능하다. 실험실 규모에서는 해수전지 모듈 제작에 적용해 전자기기를 구동하는 데 사용됐다. 특히 2018년 12월에는 10kWh급 해수전지 ESS에 음극 물질로 적용됐다.