아세톤으로 리튬배터리 성능 5초만에 23~135% ↑

손 소독이나 매니큐어 제거제로 쓰이는 아세톤을 용매로 써서 리튬이온배터리 용량과 성능을 단 5초만에 23~135%까지 끌어 올릴 수 있는 새로운 나노 복합소재 제조 기술이 개발됐다. POSTECH은 화학공학과 김진곤 교수와 김건우 박사, 조항준 석사, 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수 공동 연구팀이 아세톤을 용매로 써서 재료가 순식간에 반응하고, 응축하는 초고속 응축 유도 자기 조립(CISA) 전략을 통해 차세대 리튬 배터리 음극 소재 설계의 난제를 해결했다고 20일 밝혔다. 기존에는 넓은 표면적과 높은 전기 전고성을 동시에 가진 음극 소재를 얻기 위해 유독성 용매를 사용했다. 김진곤 화학공학과 교수는 "TOXIN 류의 유독성 용매를 쓰지 않아도 된다는 점과 배터리 이외의 고기능성 소재 개발에도 응용이 가능하다는 점이 장점"이라며 "기존 대비 뛰어난 에너지 저장 성능을 확인했다. 상용화 등에도 관심 있다"고 말했다. '리튬이온배터리'는 스마트폰, 전기차, 에너지 저장장치 등 일상을 움직이는 핵심 기술이다. 배터리의 용량과 성능을 끌어올리려면 음극 소재로 넓은 표면적과 높은 전기전도성을 동시에 가진 소재가 필요하다. 기존에는 넓은 표면적을 가진 '메조 다공성 금속산화물(MMOs)을 만들기 위해 '블록공중합체(BCP) 자기조립'이라는 방법이 주로 사용됐다. 그러나 이 방식은 유독성 용매를 사용해야 하고 합성 시간이 매우 길다. 전도성을 가진 나노물질을 MMOs 내부에 균일하게 섞는 것도 어려웠다. 연구팀은 이를 아세톤으로 해결했다. 아세톤이 금속 알콕사이드(금속 산화물 전구체)를 빠르게 반응·경화하는 특성에 주목한 것. 연구팀은 "카본나노튜브(1차원)와 MXene(2차원) 같은 고전도성 나노 소재가 단 5초 만에 MMOs 내부에 골고루 분산된 나노 복합체 제조에 성공했다"며 "수 시간에서 몇일 씩 걸리던 공정을 대폭 단축했을 뿐 아니라, 균일성과 재현성까지 확보했다"고 부연설명했다. 실험 결과, 0.05 A/g의 낮은 전류밀도에서는 나노 복합체가 MMO 단일 소재(224 mAh/g) 대비 용량이 23% 향상됐다. 1.0 A/g의 높은 전류밀도에서는 나노 복합체가 단일 소재(46 mAh/g)보다 약 135% 저장 용량이 개선됐다. 김진곤 교수는 "공정에 사용한 아세톤을 다시 정제해 재활용할 수 있다"며 "친환경성과 경제성을 모두 갖춘 생산 공정"이라고 부연 설명했다. 연구는 과학기술정보통신부 창의후속연구사업과 한국에너지기술평가원 에너지국제공동연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료·에너지 분야 국제학술지 '나노 에너지(Nano Energy)'에 최근 게재됐다.