스마트폰, 태블릿PC, 디지털카메라 등 다양한 소형스마트 기기, 사물인터넷(IoT), 전기자동차의 보급이 늘어나고 기능이 다양해지면서 고에너지 전원 시스템이 필요해지고 있다. 이 때문에 리튬 저장 용량과 작동 전압이 우수한 ‘리튬 금속’을 전극으로 사용하는 ‘리튬 금속 배터리’가 주목받고 있다. 문제는 리튬 금속의 반응성이 크기 때문에 폭발 위험은 리튬이온배터리보다 더 크다.

국내 연구진이 ‘꿈의 신소재’라고 불리는 탄소나노튜브를 이용해 리튬금속전지의 폭발가능성을 해결했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 연구팀은 탄소나노튜브 사이에 리튬을 가둬 물에 노출되더라도 폭발하지 않는 방법을 개발했다고 27일 밝혔다. 이번 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘나노 레터스’에 실렸다.

탄소나노튜브는 수 나노미터 지름의 가운데가 비어있는 원기둥 모양의 소재인데 다발구조를 이루고 있다. 소재 자체가 가진 공간에 리튬 이온을 저장할 수는 있어 배터리 소재로 활용할 수 있지만 저장 효율이 낮아 많이 사용되지 않았다. 또 리튬 금속은 물만 닿아도 금방 반응해 폭발할 수 있다.

연구팀은 탄소나노튜브 표면이 아닌 각 다발이 이루는 내부 구조에 주목했다. 연구팀은 튜브 다발의 밀도를 정밀하게 제어하면서 그 구조에 따른 현상을 관찰한 결과 튜브 다발 사이에 리튬 이온이 갇히는 현상을 확인했다. 연구팀은 리튬 이온을 탄소나노튜브 구조에 가둬 리튬 금속의 산화반응성을 줄이고 리튬 금속으로 추출하는 방식을 만들어냈다.

연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용해 열역학적, 동역학적으로 이 같은 현상을 확인하고 실험을 통해 탄소나노튜브-리튬 복합체의 안정성도 확인했다.

이상영 UNIST 교수는 “이번 연구는 안전한 리튬금속을 연구하는 새로운 방향을 제시했고 차세대 리튬금속 배터리의 상용화에 필요한 고안전성 리튬저장기술 개발의 발판을 마련했다”라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr