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- 초미세 은 입자 주입 맥신 복합체 개발
- 무음극배터리 수명,안전성 강화
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[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국원자력연구원은 무음극배터리 문제점을 해결할 수 있는 맥신 복합체를 개발,중성자 소각산란 장치로 정밀 분석하고 성능 입증까지 완료했다고 27일 밝혔다.
무음극배터리는 기존 배터리에서 음극을 제거하여 더 작고 가벼우면서 에너지 저장 용량은 늘어난 차세대 배터리다.특히 전기차(EV),독일 뒤셀도르프 카지노에너지저장장치(ESS) 등 높은 에너지 밀도와 경량화가 필요한 분야에서 각광받고 있다.이온의 흐름은 배터리 성능을 결정하는 중요 요소 중 하나이다.하지만 무음극배터리는 음극이 없는 구조로 배터리 내부에 이온이 고르게 이동하지 않아,금속 이온이 바늘처럼 변하는 수지상돌기가 쉽게 형성되어 배터리의 수명과 안전성이 저하되는 문제가 있다.
원자력연구원 중성자과학부 장종대‧이상호 박사팀은 맥신 복합체를 개발했다.맥신은 탄소와 티타늄으로 이루어진 매우 얇은 층으로 된 소재로,금속처럼 전기를 잘 전달하면서도 유연해 무음극배터리의 성능을 높일 수 있는 소재이다.그러나 기존 맥신 소재만으로는 이온의 흐름이 원활하지 않아 배터리 구동이 어려웠다.
이러한 단점을 극복하기 위해 맥신을 여러 층으로 쌓고 그 사이에 경제성과 전기전도성이 높은 초미세 은 입자를 삽입해 층과 층사이에 미세한 통로를 만들었다.이 맥신 복합체를 양극에서 이동한 이온이 저장되는 금속판 위에 도포한 결과 2.4nm(나노미터)였던 이동 통로 넓이를 25nm로 10배 이상 증가시켜,이온이 통로를 따라 배터리 내부에 골고루 흘러가도록 했다.이온 흐름이 균일하면 수지상돌기에 의한 전지 손상이 줄어 배터리의 성능과 안전성을 향상시킬 수 있다.
맥신과 초미세 은 입자는 모두 음전하를 띠어 서로 밀어내기 때문에 은 입자를 주입하는 것은 쉽지 않다.이를 해결하기 위해 연구팀은 빨대로 음료를 마실 때 내부 압력을 낮춰 외부 공기압이 음료를 밀어 올리는 원리와 유사한 진공여과 방식을 활용했다.내부 압력을 낮춰 외부 대기압이 은 입자를 맥신 층 사이로 빠르게 밀어넣는 데 성공했다.
연구팀은 개발한 맥신 복합체의 성능 검증도 마쳤다.중성자 소각산란 장치를 활용해 이온 이동 경로를 분석하고,안전 사설 토토 사이트 제로이온 흐름이 원활함을 확인했다.또한 전기전도도를 측정하여 맥신 복합체를 삽입한 무음극배터리가 정상 작동함을 입증했다.
중성자 소각산란 장치(SANS)는 냉중성자원을 샘플에 조사하여 튕겨 나온 중성자를 통해 미세물질의 배치,구조,공극,입자결함 등을 정밀하게 분석할 수 있는 고도분석 장치다.
냉중성자원이란,연구용 원자로‘하나로’에서 생산된 열중성자를 영하 250도의 액체 수소로 극저온화한 중성자를 말한다.에너지가 높고 파장이 길어 나노미터 영역을 관찰하기 어려운 열중성자와 달리,토트넘 경기일정 중계에너지가 낮고 파장이 길어 1~100nm 영역의 물질 구조를 연구하는 데 매우 유리하다.
이번 연구결과는 국제학술지‘물리화학레터지’온라인판 표지 논문으로 게재됐다.
이상호 한국원자력연구원 박사는 “맥신과 같은 이차원 소재의 미세경로 조절기술은 무음극전지에서 안전성과 수명을 연장하는 핵심기술로 향후 이차전지 연구에 다양성을 제공할 것으로 기대된다”고 말했다.
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