신소재공학부 구종민 교수 와 한국과학기술연구원 이정훈 박사 공동연구팀(제1저자 성균관대학교 신소재공학부 채수웅 연구원, 공동 제1저자 한국과학기술연구원 이세호 박사)은 2차원 맥신 나노소재를 이용한 충방전 안정성이 우수한 고에너지밀도 리튬메탈전지 기술을 개발했다고 밝혔다.

최근 전기자동차 보급 확산 및 다양한 모바일 전자장치 및 이동장치의 발전으로 고에너지 밀도를 가지는 이차전지 개발의 중요성이 부각되고 있다. 리튬메탈을 음극으로 사용하는 리튬메탈 전지는 기존 그래파이트 음극을 사용하는 리튬이차전지에 비해 10배의 에너지 용량을 낼 수 있는 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만 리튬 메탈을 음극으로 사용할 경우 리튬 덴드라이트 형성으로 충방전 안정성이 취약한 단점이 있어 이를 개선할 기술이 필요한 실정이었다.

구종민 교수와 이정훈 박사 공동연구팀은 리튬이온과 친화성이 매우 우수한 표면 특성을 가지는 Ti3CN 맥신 2D 나노소재를 비표면적이 높은 3차원 섬유상구조로 제조하여, 리튬메탈전지 음극 기지체로 사용하여, 리튬덴드라이트 형성을 획기적으로 억제하여, 리튬메탈전지의 충방전 안정성을 향상하는 기술을 개발하였다.

맥신 나노소재는 전이금속 탄소 화합물 또는 전이금속 탄화질소 화합물로서 1nm 두께를 가지는 판상구조 특성을 가지고 있으며, 전기전도성이 우수하며 표면에 –OH, -F 등의 표면 작용기의 존재로 리튬이온과 친화 특성이 우수하여 에너지 저장소자로서의 응용성이 주목 받고있는 소재이다.

그림. 맥신 나노소재를 이용한 고효율 리튬메탈전지 기술

구종민 교수는 “리튬메탈전지의 충방전 안정성 확보를 위해서는 리튬 덴드라이트 형성 없이 리튬이온의 환원반응이 안정적으로 일어날 수 있게 유도하는 기술이 필요하며, 맥신 나노소재는 전이금속의 종류, 전이금속/탄소/질소의 함량, 표면 작용기, 표면 결함등을 조절하여 리튬 친화도를 조절할 수 있는 매우 특별한 나노소재로서, 이번연구에서는 Ti3CN 맥신 나노소재의 표면에 존재하는 다량의 표면 작용기의 존재와 표면 결함 밀도를 조절하여, 리튬이온과의 친화도를 향상시켜, 리튬 덴드라이트 형성을 획기적으로 줄일수 있었다. 또한 맥신의 2차원 나노소재 특성과, 우수한 용액 가공성을 이용하여 비표면적이 큰 3차원 섬유상구조로 제조하여, 리튬메탈전지의 충방전 안정성을 더욱 향상 시킬 수 있었다.”라고 말했다.

또한, 이정훈 박사는 “본 연구에서 양자역학적 방법론을 이용하여 안정한 이차원 맥신 나노소재 표면 구조를 성공적으로 예측하였고, 맥신 표면이 리튬 친화도가 높음을 이론적으로 증명할 수 있었다. 본 연구를 통해 얻은 이론적 지침은 향후 맥신 소재 기반의 리튬메탈전지 기술 개발에 유용하게 활용될 수 있다는 점에 큰 의의가 있다”라고 말했다.

마지막으로 이번 연구의 제1저자인 채수웅 연구원은 “현재 고에너지밀도 금속전지 개발의 필요성이 부각되고 있고, 안정적인 리튬메탈전지 개발기술이 개발된다면, 우리나라가 전세계 2차전지 산업의 주도권을 잡는데 크게 기여할것으로 기대된다.”며, “이번 연구성과가 국내 고에너지 밀도 리튬메탈전지 연구 개발에 새로운 방향성을 제시하는데 기여할것으로 기대된다.”고 말했다.

본 연구는 한국연구재단 나노및소재기술개발사업(2021M3H4A1A03047327), 중견연구자지원사업(2022R1A2C3006227), 산업통상자원부 나노융합혁신제품사업(20020855) 과 국가과학기술위원회 융합연구사업 (CRC22031-000), 성균관대학교 Start-up fund 와 KIST 내부사업의 지원을 받아 수행되었다.

이번 연구는 에너지분야 세계적인 학술지인 Energy Storage Materials (IF: 20.831)에 7월 XX일에 온라인에 게재 되었다.

Article: Chae, S., Yi, S., Yoon, J., Hyun, J. C., Doo, S., Lee, S., Lee, J., Kim, S. J., Yun, Y. S., Lee, J. H, Koo, C. M. (2022). Highly defective Ti3CNTx-MXene-based fiber membrane anode for lithium metal batteries. Energy Storage Materials (IF: 20.831), https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.07.025