꿈의 신소재 ‘맥신’ 기반 이차전지 음극재 개발

경북대-포스텍 공동연구팀 ‘성과’
공정 시간 줄여 저비용 대량생산

임창용 교수, 조창신 교수

국내 공동 연구진이 꿈의 신소재로 주목받는 나노물질인 ‘맥신(MXene)’을 이차전지 음극재로 활용한 기술을 개발해 주목을 받는다.

이번 연구는 빛을 이용한 새로운 공정을 통해 획기적으로 공정 시간을 줄여 이차전지 음극재의 저비용 대량생산 가능성을 제시했다.

연구 결과는 화학공학 분야 국제 저명 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal, IF=15.1)’ 3월 15일자에 발표됐다.

경북대 에너지화학공학과 임창용 교수팀은 포스텍 철강·에너지소재대학원 조창신 교수팀과 공동연구로 차세대 2차원 소재로 주목받는 맥신(MXene)에 플래시라이트 기술을 접목해 6밀리초 이내에 3차원 다공성 맥신/이산화티타튬 복합체 필름을 제작하는 기술을 개발했다.

맥신은 티타늄과 탄소 원자 등으로 이뤄진 얇은 판 모양의 2차원 물질이다.

두께가 1나노미터 이하로 매우 얇고, 우수한 전기전도도와 기계적 물성으로 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 이러한 맥신을 필름으로 제작했을 때는 집전체가 필요 없다는 장점이 있다.

하지만, 필름 형태로 제작하면 맥신 시트들이 적층된 구조를 가져 에너지 저장 장치에 적용했을 때 층층이 쌓여 있던 맥신이 재적층돼 전해질 침투력이 감소해 잠재적으로 성능이 열화 되는 문제가 발생한다.

이에 층간 간격을 넓히고 다공성 구조로 만들려는 연구가 다수 진행됐으나, 이전에 보고된 기술들은 다른 화학물질과 섞거나 추가적인 장시간의 열처리가 필요해 환경과 에너지, 대량생산의 측면에서 해결해야 하는 문제점이 있다.

공동연구팀은 맥신 필름을 다공성 구조로 변환하고자 플래시라이트 기술을 도입, 6밀리초 이내에 대기 조건에서 다공성 맥신/이산화티타튬 복합체를 제작하는 데 성공했다.

플래시라이트 장비의 제논램프로부터 발생한 백색광을 맥신 필름에 노출하면, 맥신 필름이 백색광을 흡수하고 맥신 필름의 온도가 올라간다.

이는 마치 뜨거운 태양빛 아래에 검은색 옷을 입고 있으면 검은색 옷이 태양빛을 흡수하고, 이것이 열에너지로 바뀌어 옷의 온도가 올라는 원리와 같은 원리이다. 또한, 맥신 필름 내부에 존재하는 물 분자들이 순간적인 온도상승으로 인해 기화되면서 맥신 필름 내부의 층간 간격을 넓혀 다공성 구조를 만들 수 있다고 연구팀은 설명했다.

/심상선기자 [e-mail]