탄소섬유 금속 복합재 개발해
나트륨등 금속전극 대량화 가능
국제학술지 표지논문으로 선정
UNIST(총장 정무영) 연구진이 금속 배터리에 쓰이는 금속 전극의 수명과 안정성을 높이고, 대량생산까지 성공했다.
UNIST는 에너지 및 화학공학부의 이현욱·김영식 교수팀이 탄소섬유의 미세한 틈새로 액체 금속이 스며들게 하는 공정으로 고성능 금속 전극(탄소섬유-금속 복합재)을 개발했다고 14일 밝혔다. 연구진은 이 공정을 이용해 리튬이나 나트륨 금속 전극을 대량생산하는 기술도 확보했다.
금속 전극은 기존 흑연 전극보다 용량이 약 10배 정도 큰데다 구동 전압이 낮아 차세대 음극 물질로 각광받지만 배터리 구동 때 전극 표면에 나뭇가지 모양의 결정이 생기면서 성능이 낮아지는 문제점이 있다.
연구진은 탄소섬유를 가공해 미세한 틈새를 만들고, 여기에 금속 액체를 스며들게 하는 방식으로 새로운 금속 전극을 제작했다. 탄소섬유 사이에 리튬이나 나트륨 금속이 스며든 복합재는 배터리 구동 시 나뭇가지 모양 결정의 형성이 제어됐다. 덕분에 금속 전극의 안정성이 향상됐고, 배터리 전체 수명도 늘어났다.
연구진은 이 기술로 대량생산한 나트륨 금속 전극은 ‘10kW급 해수전지 에너지 저장장치(ESS)’에 적용하기도 했다. 이 설비는 지난해 12월 동서발전 화력발전소에 장착돼 약 한 달간 시범 시험을 마쳤다.
금속 액체는 탄소섬유에 닿자마자 스며들기 때문에, 전극 제작에는 10초 정도 소요된다. 탄소섬유는 천 등의 옷감 같은 직물 형태라 유연성이 뛰어난데, 이 점을 이용하면 전극 모양도 자유롭게 제작할 수 있다.
이현욱 교수는 “금속 배터리의 성능 향상에 초점을 맞추던 기존 연구들과 달리, 상용화 측면에서 접근해 전극 소재의 대량생산을 시도해 성공했다”며 “전극 소재를 실제 장비에 적용한 시험도 진행한 만큼 ‘고성능 금속 배터리’ 상용화에도 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
연구는 국제학술지 ‘나노 레터스’에 표지 논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다. 김봉출기자 kbc78@ksilbo.co.kr