스마트 기기와 사물인터넷(Internet of Things, IoTs), 전기자동차를 널리 사용하는 시대가 다가옴에 따라, 이런 기기들을 작동하는 '고에너지 전원 시스템'에 대한 연구가 활발합니다. 최근에는 리튬 저장 용량과 작동 전압이 우수한 '리튬 금속'을 전극으로 사용하는 '리튬 금속 배터리'가 차세대 배터리로 급부상하고 있는데요. 리튬 화합물을 음극으로 사용하는 리튬 이온 배터리와 달리 리튬 금속 배터리는 리튬 금속을 음극으로 사용하는 리튬 이차 전지이며, 차세대 고에너지 전원 시스템으로서 주목받고 있습니다.
반응성이 높은 리튬 금속은 배터리 내에서 여러 부가 반응을 일으킬 수 있습니다. 이 때문에 리튬 금속 전극의 전기화학적 내구성과 안전성을 확보하는 게 중요하죠. 연구원들은 기존 리튬 금속 전극에 표면 부반응을 억제하는 보호막을 도입하거나, 리튬 금속 표면을 물리적으로 눌러 수지상 성장을 억제하거나, 3D 구조의 리튬 저장 물질을 사용하여 유효 전류 밀도를 낮추는 등 전극의 수명 특성을 향상하는 연구에 집중했습입니다.
문제는 기존 리튬 금속 전극 연구들은 배터리 제조 후 전기화학적 내구성을 확보하는 전략이라는 점입니다. 리튬 금속은 물에 닿아도 금방 반응해 폭발할 수 있습니다. 리튬 금속 전지의 상용화를 위해서는 전기화학적 내구성은 물론 리튬 금속의 반응성을 제어해 안전한 전지 구동 환경을 확보하는 게 필수적이죠.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 이상영 박사와 곽상규 박사 공동 연구팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 방법을 고안했다고 합니다. <Nano Letters>에 게재된 논문에 따르면 탄소나노튜브에 리튬을 가뒀다 꺼내도 기존의 리튬 기능 보존이 가능하다고 합니다.
어떻게 연구했는가
연구팀은 탄소나노튜브 나노 구조 내 리튬이 갇히는 현상을 이용해, 물속에서도 안정한 리튬 저장 방법을 제안했습니다. 탄소나노튜브는 탄소나노튜브는 수 나노미터 지름의 속이 빈 원기둥 모양 탄소 소재입니다. 튜브 간 상호작용이 강해 여러 튜브가 다발로 된 나노구조를 갖습니다. 우수한 전자와 열전도 특성과 넓은 비표면적 특성을 갖는 신소재입니다. 반도체, 전자 소자, 이차 전지 및 복합 재료 분야에 적용할 수 있죠.
우선 계산화학을 이용해 탄소나노튜브 나노 구조 내 리튬 위치를 3가지로 구분해 안정화도를 비교했는데요. 그 결과, 나노 튜브 다발 내부 구조(interstitial channel)에 갇힌 리튬을 추출하기 위해서는 높은 에너지가 필요함을 확인했죠.
연구팀은 탄소나노튜브 나노 구조의 밀도를 높이자 리튬 저장 용량이 증가하는 현상을 관찰했습니다. 여기에 높은 에너지를 끌어와 전해주자, 탄소나노튜브 구조에 갇힌 리튬을 손실 없이 추출할 수 있었다고 합니다. 연구팀은 이를 통해 기존에 보고됐던 탄소나노튜브의 낮은 초기 용량 효율의 원인이 탄소나노튜브 나노 구조의 리튬 안정화에 있다는 걸 발견했습니다.
연구팀은 탄소나노튜브 나노구조의 리튬 안정화 현상을 기반으로 갇힌 리튬의 산화 안정성을 평가했습니다. 일반적으로 리튬을 포함한 알칼리 금속은 대기에 노출되면 산화물을 생성하고 수분에 노출되면 수소 발생 반응을 일으킵니다. 리튬은 특히 반응성이 높으며 수분에 노출하면 폭발할 위험성이 있죠.
반면, 나노 구조 내에 갇힌 리튬은 대기 노출 시 리튬 산화물을 형성하지 않았으며 물속에서도 격렬한 산화 반응을 일으키지 않았다고 합니다. 나노 구조 내에 갇힌 리튬은 대기와 물에서 모두 90% 이상의 리튬 보존율을 보였으며, 기존 내산화성 리튬 저장 물질보다 5배 높은 리튬 저장 용량을 구현했다고 합니다.
탄소나노튜브 구조에 갇혔다 끄집어낸 리튬은 일반적인 리튬 금속과 같은 전기화학적 활성도를 가졌습니다. 이 리튬 금속은 리튬 금속 배터리의 성능 평가에서도 일반적인 리튬 금속과 같은 성능을 보였다고 합니다.
앞으로의 전망
이상영 교수는 "이번 연구는 안전한 리튬 금속을 연구하는 새로운 방향을 제시해 차세대 리튬 금속 배터리의 상용화에 꼭 필요한 '고안전성 리튬 저장 기술' 개발의 발판을 마련했다"라며 "특히 대기 중에 노출하는 것은 물론 물속에서도 산화 반응이 없는 높은 수준의 안전성을 구현한 점이 주목할 부분"이라며 이 실험의 의의를 밝혔습니다.
##참고자료##
- 오미야 노부미쓰 <재미있는 화학상식>
- Cho, Seok-Kyu, et al. "Anti-oxidative lithium reservoir based on interstitial channels of carbon nanotube bundles." Nano letters(2019).
