KAIST, 이산화탄소 활용 신소재 판형 맥신 합성 성공

산화 금속 나노입자 판형 맥신의 제작, 리튬-황 전지 획기적인 성능 기대

[대전=뉴시스] CO2를 이용해 맥신을 산화하고 이를 양극과 분리막에 적용한 모식도.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 생명화학공학과 이재우 교수 연구팀이 맥신(MXene)과 이산화탄소(CO2)의 반응을 통해 산화 티타늄 나노입자가 고르게 분포된 판형 구조의 맥신을 합성하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

맥신(MXene)은 전자 부품간 전자파 간섭을 고성능으로 차단하고 흡수하는 신개념 초경량 나노 신소재다.

이 교수 연구팀은 수용액 상태에서 표면을 벗겨낸 맥신과 이산화탄소와의 반응을 통해 산화 티타늄 나노입자가 맥신 표면에 고르게 분포된 판형 맥신을 합성했다.

생명화학공학과 이동규 박사과정생이 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 'ACS 나노(ACS Nano)' 온라인판에 지난달 30일자로 게재됐다.(논문명:CO2-Oxidized Ti3C2Tx-MXenes Components for Lithium-Sulfur Batteries: Suppressing the Shuttle Phenomenon through Physical and Chemical Adsorption).

맥신은 전기전도도가 높고 유연성이 뛰어나기 때문에 센서·에너지 저장 및 전환장치, 전자기차 폐수처리 재료 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 신물질로 그래핀이나 탄소나노튜브를 대체할 수 있는 차세대 물질이다.

하지만 맥신을 리튬-황 전지의 양극 물질로 활용키 위해서는 황을 수용할 수 있는 공간을 필요하고 충·방전 과정에서 생성된 리튬 폴리설파이드가 전해질에 녹아 음극 쪽으로 이동해 발생하는 셔틀 현상(Shuttle phenomenon)을 막아야 한다.

또 맥신은 금속 다공성이 거의 존재하지 않고 리튬 폴리설파이드와 상호작용이 적어 리튬-황 전지 소재로 이용하기엔 적합하지 않다.

이번에 KAIST 연구팀은 맥신이 포함된 수용액에 초음파를 주입하고 맥신을 박리시켜 단일 맥신 층을 다량으로 제조한 뒤 충분한 공간을 확보했다.

이어 이산화탄소와 맥신 층을 반응시켜 표면에 리튬 폴리설파이드를 흡착할 수 있는 다량의 산화 티타늄 나노입자를 고르게 합성시켜 기존 문제를 해결했다.

또 연구팀은 이 기술을 사용해 길이 50~100나노미터(㎚), 지름 20㎚의 땅콩 모양 나노입자들이 형성된 판형 맥신을 제조했다.

연구팀이 개발한 산화 금속이 고르게 분포된 판형 맥신 제작 기술은 맥신 전구체 종류에 상관없이 적용할 수 있다.

연구팀 관계자는 "산화 금속 판형 맥신 제조공정은 수용액처리 및 이산화탄소와의 반응으로 이뤄진 단순화된 공정이다"며 "공정인 단순해 온도, 반응시간 조절로 다양한 판형 소자 제조 및 비용 절감이 가능, 경제성이 좋고 특히 리튬-황 전지 성능을 강화하는데 기여할 것"이라고 말했다.

☞공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com