차세대 고성능 알루미늄 금속 이차전지 음극용 다기능성 맥신 전극 소재 개발

윤영수 교수팀 연구결과, Journal of Materials Chemistry A 게재돼

▲ 왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 허영훈 석/박사 과정, 윤영수 교수

KU-KIST 윤영수 교수팀이 기존 알루미늄 금속 음극보다 높은 출력특성과 2배 이상 오랜 기간 사용 가능한 고에너지밀도 알루미늄 이차전지 음극용 다공성 맥신(MXene) 신소재 박막 전극을 개발하였다. 연구진은 이를 통해 현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리보다 높은 용량을 구현할 수 있는 알루미늄 금속 전지의 상용화 가능성을 제시했다.

본 연구 내용은 고려대 KU-KIST 융합대학원의 허영훈 석/박사 통합과정생이 윤영수 교수의 지도하에 진행하였으며, 한국과학기술연구원 물질구조분석센터의 김선준 박사 연구팀의 도움을 받아 진행되었습니다. 

연구 결과는 “3D-structured bifunctional MXene paper electrodes for protection and activation of Al metal anodes”이란 제목으로 지난 6월 1일에 Journal of Materials Chemistry A에 온라인 게재됐다.

▲ 알루미늄 친화성 맥신 전극의 구조와 알루미늄 전기화학 거동의 안정성과 수명 특성을 나타내는 이미지

소형 휴대용 전자기기부터 대형 전기자동차에 이르기까지 에너지 저장 장치는 현대 사회에서는 없어서 안 될 필수품이다. 그러나 현재 상용화된 리튬 이온 전지의 편증된 리튬 매장량, 충분하지 않은 에너지밀도, 그리고 푹발 등과 같은 안전성 문제로 인해 새로운 차세대 이차전지 시스템 개발의 필요성이 대두되고 있다. 풍부한 매장량과 높은 이론 용량(2,980 mA h g^-1, 8,046 mA h cm^-3)을 가진 알루미늄 금속 음극에 기초한 알루미늄 이차 전지를 현재의 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 가장 유망한 차세대 이차전지 시스템으로 주목받고 있다. 그러나 알루미늄 음극 표면에 자발적으로 형성되는 산화 피박은 느린 반응 속도를 야기하여 전기화학 성능을 저해하는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 전형적인 유기 전해질 대신 산화 피막을 깎아낼 수 있는 이온성 액체 전해질을 사용하고 있으나, 이는 독특한 음이온 기반의 산화환원 메커니즘으로 인한 큰 과전압과 부식이라는 새로운 문제점을 야기하며 이를 해결하기 위한 연구가 필요하다. 따라서, 부식을 억제하면서 더 넓은 활성 표면적을 제공할 수 있는 입체적 형상의 전극을 설계하는 것을 중심으로 집중적인 연구가 진행되고 있다. 

윤영수 교수 연구팀의 허영훈 학생은 부식을 억제할 수 있는 알루미늄 친화성 전극을 설계하기 위해 몰입하였으며, 이를 통해 물리적, 화학적 안정성을 가진 맥신 전극이 이온성 액체 전해질 내에서 부식되지 않고 작동하는 현상을 관찰하였다. 알루미늄 음극 소재의 전기화학 성능을 극대화하기 위하여 맥신 전극을 3차원 구조체로 디자인하여 연구를 진행하였으며 이를 통해 다양한 작용기를 가진 3차원 맥신 전극이 알루미늄-금속 생성과 성장 메커니즘을 개선하는 핵심적 영할을 수행할 수 있음을 확인하였다.