▲ 금속 덴드라이트와 (PEO/ANF) 복합물.

해외의 연구진이 만든 배터리 분리기로 사용할 수 있는 우수한 아라미드 나노섬유를 개발했다.

미시간 대학의 연구진은 탄소나노튜브만큼 강하지만 제조 방법이 간단하고 가격이 저렴한 아라미드 나노섬유를 만들었다고 2월6일 nanotechweb에서 밝혔다.

아라미드 나노섬유는 고체-이온 배터리의 음극과 양극 사이에 위치된 이온 전달 분리기 속의 덴드라이트(dendrite) 성장을 억제해, 배터리 성능과 안정성을 향상시킨다.

이번 연구진은 DMSO(dimethylsulphoxide) 속의 케블라 나노섬유를 천천히 용해함으로써 그들의 나노섬유들을 만들었다.

이온 전도성 멤브레인은 고체-이온 배터리 속에서 음극과 양극을 분리하는데 사용된다.ICM은 덴드라이트 성장을 억제시킬 뿐만 아니라 이온들을 잘 전도할 수 있게 하고 유연하고 질기다. 대부분의 분리기 재료들은 이런 특성이 없다

하지만 아라미드 나노섬유의 나노구조들은 덴드라이트의 성장 말단과 동일한 크기의 기공크기로 메시(mesh)를 형성한다. 이것이 나노섬유가 성장할 때 덴드라이트로 만들어진 구멍을 막는다. 이런 나노 섬유들은 ‘케블라’처럼 강한 강성을 가지며 질기고 금속 덴드라이트의 압력을 견딜 수 있다.

DMSO는 일반적인 산업용 용매이다. 케블라는 파라-아라미드(para-aramid) 합성 섬유에서 대표적인 것으로 듀폰사에 의해서 1960년대에 처음 개발돼 오늘날 방탄조끼, 자전거 타이어 등에 폭넓게 사용되고 있다.

DMSO는 높은 인장강도 대 무게 비율(tensile strength-to-weight ratio)로 케블라를 강철보다 더 강하게 만들어준다. 연구진은 DMSO의 물의 양을 변화시켜 서로 다른 지름(약 5nm~10nm)을 가진 나노섬유를 만들었다.

높은 전하용량의 음극 및 양극을 가진 아라미드 나노섬유 기반의 이온 전도성 멤브레인(Ion-conducting membrane, ICM)는 더 큰 전하용량과 더 높은 방전 속도를 가진 더 얇은 배터리를 만드는데 도움을 준다고 연구진은 밝혔다.

또한 아라미드 나노섬유는 기존의 ICM 재표보다 고온에서 안정적이므로 향후 폭 넓은 분야에 다양한 쓰임새로 쓰이는데 도움을 줄 것이라고 덧붙였다.

이번 연구진은 분리기를 최적화하고 생산 규모를 확대시킬 수 있는 방법을 찾고 있다. “우리는 다양한 회사와 함께 이 부분에 대한 연구를 수행하고 있다”고 연구를 주도한 Kotov가 말했다.

한편, 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 ‘A dendrite-suppressing composite ion conductor from aramid nanofibres’ 라는 제목으로 게재됐다(doi:10.1038/ncomms7152).