국내 연구진이 서로 다른 크기의 기공을 동시에 갖고 있는 다공성 2차원 무기질 나노코인을 합성하는 새로운 기술을 개발했다. 이는 리튬-황 이차전지 분리막에 코팅해 전지의 성능을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다.

23일 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)에 따르면, 이진우 생명화학공학과 교수팀이 합성기술은 다공성 무기질 소재를 동전처럼 둥글고 납작한 형상으로 제어할 수 있고, 크기 및 두께 등의 물성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원천 기술을 개발했다.

이는 리튬-황 이차전지의 분리막에 사용돼 리튬-황 전지의 성능 저하 원인으로 꼽히는 리튬폴리설파이드의 용출을 효과적으로 억제해 성능을 높일 것으로 기대된다.

기존의 다공성 2차원 무기질 소재의 합성 방법은 기판을 이용하거나 별도의 주형을 사용하는 방식으로 소재의 형상 원판처럼 제어함과 동시에 두께를 조절해야 했다. 또한, 다공성 구조를 형성하기 위해서는 추가적인 공정을 도입해야만 한다.

이진우 교수 연구팀은 블록공중합체와 단일중합체의 고분자 블렌드의 상거동을 이용해 기존의 문제를 해결하는 새로운 합성 방식을 제시했다.

이를 통해 다공성 2차원 무기질 나노코인을 3나노미터(㎚) 두께로 합성하는 데 성공했다. 나노코인은 동전과 같이 둥근 모양이면서 두께가 약 3㎚인 2차원 나노 소재를 말한다.

서로 섞이지 않는 단일중합체와 블록공중합체의 계면에너지가 달라짐에 따라서 나노구조의 배향과 입자의 모양이 달라지는 원리다.

이 합성 방법은 별도의 주형이 필요하지 않은 간단한 원팟(one-pot) 방법으로 기존의 복잡한 과정을 혁신적으로 줄여 생산력을 증대시켰다.

이를 이용해 연구팀은 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인을 차세대 전지인 리튬-황 이차전지의 분리막에 코팅해 리튬-황 전지의 성능을 높이는 데 성공했다.

나노코인의 다공성 구조는 전해질과 리튬이온은 통과시키면서도, 리튬폴리설파이드는 필터처럼 걸러 물리적으로 막아준다. 또한 알루미노실리케이트는 고체산으로 염기성질을 가진 리튬폴리설파이드를 흡착해 용출을 억제한다.

이진우 생명화학공학과 교수는 "이를 통해 분리막의 두께 대비 용량 향상시켜 세계 최고 수준의 결과를 얻었다"며 "블록공중합체의 분자량 및 고분자 대비 질량을 조절해 손쉽게 나노구조(넓이 및 두께)를 조절할 수 있고 다른 소재로의 확장도 가능하여 맞춤형 나노소재로도 활용할 수 있을 것으로 보인다"고 설명했다.

이진우 교수 연구실의 김성섭 박사(現 전북대 교수)가 주도하고 임원광 박사가 참여한 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)' 2021년 9월 1일 자 온라인판에 게재됐다.