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기술 개요

“나노미터 수준의 구조와 계면을 설계해 에너지 저장·분리·가스 감지 소자의 안정성·선택성·반응성을 높이는 기술입니다.”

산업 별 활용 방안

고에너지밀도 배터리를 개발하는 전지·소재 기업

고에너지밀도 배터리를 개발하는 기업은 충·방전이 반복될 때 리튬이 불균일하게 전착되면서 용량이 감소하고 안전성 검증 부담이 커지는 문제를 겪습니다. 나노 패턴 구리 집전체와 MXene 계면층을 전극 설계에 적용해 리튬 전착 위치와 보호 계면층의 형성을 제어하고, 무음극 리튬 메탈 셀의 안정화 방향을 검토할 수 있습니다. 기존 셀 구조 전체를 즉시 변경하기보다 집전체·코팅층 후보를 비교하는 전극 소재 검증 단계부터 결합할 수 있습니다.

배터리 안전 모니터링 제품을 개발하는 기업·기관

전기차·에너지저장장치·배터리 보관 시설에서는 열 이상이 화재로 이어지기 전에 누출 징후를 확인할 수 있는 감지 수단이 필요합니다. 전해질 증기에 반응하는 산화물 나노구조체 센서와 황화수소 등 유해가스를 감지하는 센서 구조를 적용해 가스 기반 조기경보 모듈을 설계할 수 있습니다. 기존 안전관리 체계를 대체하기보다 센서 소자, 경보장치 또는 상태 모니터링 시스템에 감지 모듈 형태로 결합하는 방식으로 도입할 수 있습니다.

수처리·분리막 소재를 개발하는 기업·기관

수처리와 이온 분리 공정을 운영하는 기업·기관은 막이 물과 염 용액에 장기간 노출될 때 구조가 팽창하거나 손상돼 선택 분리 성능이 변하는 문제를 관리해야 합니다. 층 내부 나노기공을 갖는 그래파이트를 분리막 활성층 소재로 활용해 이온 이동 경로와 층간 구조 안정성을 함께 설계할 수 있습니다. 실제 적용 전에는 기존 막 소재를 대체하기보다 수처리·용매 나노여과·이온 분리 조건에서 소형 막 모듈 PoC로 성능을 확인하는 방식이 적합합니다.

기술 설명

어떤 기술인가요?

나노구조 소재 기술은 물질의 크기·표면·층간 구조를 정밀하게 설계해 전기화학 반응이나 특정 물질의 이동·흡착을 제어하는 기술입니다. 본 기술 포트폴리오는 나노구조체의 형상과 계면을 활용해 소자 성능을 제어하는 소재·제조 기술로, 층 내부 나노기공과 안정적인 적층구조를 갖는 그래파이트로 물과 이온의 선택적 이동을 조절하고(특허 1), 산화물 이종접합 나노구조체로 배터리 전해질 증기를 조기에 감지하며(특허 2), 나노 패턴 구리 집전체와 MXene 박막으로 리튬의 균일한 전착을 유도하고(특허 3), 측면 재증착 기반 공정으로 가스 분자 흡착면이 넓은 센서 구조를 만드는(특허 4) 기법으로 구성됩니다. 이를 통해 배터리 계면 안정화, 누출 감지, 유해가스 감지, 분리막 선택성처럼 소재 구조가 제품 성능을 좌우하는 과제를 다룹니다.

어떤 문제를 해결하나요?

1. 배터리 내부 리튬 전착의 불균일성

무음극 리튬 메탈 배터리는 충전 과정에서 리튬이 구리 집전체 위에 고르게 쌓이지 않으면 전기화학적으로 회수되지 않는 데드 리튬과 수지상 리튬이 발생해 용량 저하와 단락 위험으로 이어질 수 있습니다. 나노 원통형 구리 구조와 MXene 표면 작용기를 결합해 리튬 이온의 이동과 핵생성 위치를 제어하고, LiF-풍부 계면층을 형성해 균일한 전착과 계면 보호를 유도합니다.

2. 배터리 전해질 누출의 늦은 감지

전해질 증기는 배터리 열폭주 직전에 발생할 수 있지만, 기존의 정밀 분석 장비는 소형화와 현장 설치가 어렵고 일반 센서는 낮은 농도에서 반응성이 부족할 수 있습니다. 넓은 반응면을 갖는 산화물 나노구조체와 p-n 이종접합을 이용해 전해질 증기의 흡착에 따른 저항 변화를 키워 조기 감지에 활용합니다.

3. 분리막·가스센서 소재의 구조 안정성과 반응면 부족

산화그래핀 계열 분리막은 물이나 이온 용액에서 층간거리가 팽창하거나 층이 박리돼 선택 분리 성능을 장기간 유지하기 어렵고, 평면형 가스센서는 흡착 가능한 표면이 제한될 수 있습니다. 층 내부 기공을 갖는 그래파이트로 적층구조의 안정성과 물질전달 경로를 함께 설계하고, 고종횡비 나노구조체로 가스 분자가 반응할 수 있는 표면과 계면을 확대합니다.