울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 이상영-곽상규 교수팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해, 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 방법을 제안했다고 27일 밝혔다. 사진은 리튬 저장 위치별 안정성 비교 그림. 2019.06.27. (사진=울산과학기술원 제공).

국내 연구진이 리튬 금속 배터리를 안전하게 저장할 수 있는 원리을 찾았다.
 
울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 이상영, 곽상규 교수팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해, 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 방법을 제안했다고 27일 밝혔다.
 
탄소나노튜브는 수 나노미터 지름 크기의 속이 빈 원기둥 모양이 다발구조를 이루고 있다. 탄소 소재로 돼 있어 자체 공간에 리튬이온을 저장할 수 있지만, 저장 효율이 낮아 쓰임이 제한적이다.  
  
기존 연구는 튜브 표면에 부반응이 일어나면서 리튬이온이 소모돼 효율이 낮다고 보고 있는데, 튜브 다발의 밀도가 높아지면 이 현상에 오류가 생긴다.
  
밀도가 높아지면 표면적이 줄면서 리튬이온 소모량도 줄어야 하는데, 기존과 동일한 소모량을 보이기 때문이다.   
  
이에 연구진은 탄소나노튜브 표면이 아닌 '각 다발이 이루는 내부 구조'에 주목했다.
  
튜브 다발의 밀도를 정밀하게 제어하면서 그 구조에 따른 현상을 관찰한 결과, '튜브 다발 사이에 리튬 이온이 갇히는 현상'을 입증했다. 즉, 표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된 게 아니라 다발 내부 구조에 갇혀서 반응에 참여하지 못한 것이다.
   
연구진은 이 현상을 거꾸로 이용해, 리튬 금속 배터리의 안정성을 높이는 방법을 제안했다.  
  
리튬 이온을 탄소나노튜브 구조에 가뒀다가 리튬 금속으로 추출해 사용하는 방식인데, 이렇게 하면 안정성이 높아지고, 용량도 기존 리튬저장 물질보다 5배 커진다. 
  
실제 탄소나노튜브에 갇힌 리튬의 산화 안정성을 실험을 통해 평가한 결과, 물속에 넣어도 격렬한 산화 반응이 일어나지 않았다.  
  
이상영 교수는 “이번 연구는 차세대 리튬 금속 배터리의 상용화를 위한 '고안전성 리튬 저장 기술' 개발의 발판을 마련했다"라며 "리튬 금속은 물만 닿아도 금방 반응해 폭발할 수 있는데, 연구를 통해 대기 중에 노출하는 것은 물론 물속에서도 산화 반응이 없어 높은 수준의 안전성을 구현한 점이 주목할 부분"이라고 강조했다.
  
한편 이번 연구는 나노분야의 세계적 권위지인 '나노 레터스(Nano Letters)' 표지 논문으로 선정될 예정이다. 

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 이상영-곽상규 교수팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해, 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 방법을 제안했다고 27일 밝혔다. 사진은 이상영(왼쪽), 곽상규 교수. 2019.06.27. (사진=울산과학기술원 제공)