▲ (左)LFP 양극재용 도전재에 맥신을 적용했을 때 기존대비 임피던스가 줄어든 것으로 나타났다. (右)실제 배터리 셀에 테스트한 결과 LFP 용량이 기존대비 증가하는 것으로 나타났다.(사진:한국교통대)

국내 연구진이 차세대 신소재인 맥신(MXene)을 차세대 배터리(이차전지) 전극에 적용해 수명과 용량을 확대시킬 수 있는 기술을 개발해 주목된다.

한국교통대학교 환경에너지연구실의 이승준, 인인식 교수 연구진은 맥신을 다양한 종류의 유기화합물로 표면 개질해 하이니켈 양극재, 실리콘 음극재, 건식공정 등 차세대 배터리 분야에서 필요로 하는 고전도 도전재로 적용하는데 성공했다고 밝혔다.

맥신은 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합(전이금속 카바이드, 나이트라이드, 카보나이트라이드)한 2차원 결정구조의 나노 소재로 무수히 많은 표면 작용기를 가지고 있어서 우수한 용매 분산성을 내재하고 있으며, 금속 성질을 가지면서 친수성을 띄는 특이한 물질이다.

즉 금속 이외의 소재 중 가장 높은 전기전도도를 가지고 전자파 차폐 및 흡수가 가능하면서 물이나 용매에 잘 섞이기 때문에 맥신을 코팅하는 것만으로도 특성이 발현돼 배터리·슈퍼캐퍼시터 전극 및 센서, 발광다이오드 디스플레이 등 다양한 첨단산업 분야로의 응용이 기대되고 있다.

이승준, 인인식 교수 연구진은 그동안 다양한 방법으로 표면개질 맥신을 제조하는 기술을 개발하고 핵심 특허를 확보하고 있다. 이 표면개질 맥신 기술은 친환경 유기용매에서도 안정적으로 분산이 가능해 기존의 맥신이 물에만 분산되고 또한 물에서 산화된다는 문제점을 해결했다.

연구진은 영국의 고품질 맥신 양산기업 나노플렉서스(Nanoplexus)社의 맥신을 활용한 표면개질 맥신 페이스트를 가지고 LFP(리튬인산철) 배터리 양극재 및 실리콘 음극재용 도전재에 적용했다. 그 결과 양극 및 음극의 임피던스(전류의 흐름을 방해하는 정도)가 최대 70%까지 감소해 에너지 밀도가 높아진 것을 확인했다.

현재 배터리 업계의 이슈인 고용량화와 저가격화를 위해 실리콘 음극 전극, 황 양극 전극 등 차세대 배터리 기술개발이 추진되고 있으나 에너지 밀도와 수명 문제로 상용화의 걸림돌이 되고 있다. 맥신이 이러한 단점을 극복할 수 있는 신소재로 지속 개발되면 차세대 배터리 상용화를 앞당기는 열쇠가 될 것으로 기대되고 있다.

나노플렉서스社의 지용재 이사는 “표면개질 맥신은 우수한 분산성과 안정성을 동시에 확보하고 있기 때문에 향후 이차전지 전극, 태양전지 계면, 인쇄전자 전극, 바이오센서 등에서 활발히 적용돼 첨단산업의 경쟁력 강화에 기여할 것”이라고 밝혔다.

한국교통대학교 나노화학소재공학전공 인인식 교수는 “표면개질 맥신 기술은 기존 이차전지 소재의 특성을 뛰어넘는 문샷(moonshot) 소재이며, 차세대 이차전지 산업의 핵심 소재로 활용 가능할 것으로 기대된다”고 전했다.