일리노이 대학(University of Illinois)의 연구진은 차세대 리튬-이온 배터리를 위한 새로운 초이온성 고체를 개발했다. 이 재료는 셀렌화구리(copper selenide)의 초소형 나노클러스터로 구성되었다.

장치가 작고 더 강력해질수록 더 빠르고 더 작고 더 안정적인 배터리가 필요하다. 특히, 나노전자장치가 갑작스러운 인기를 얻고 있기 때문에 액체 전해질을 사용하지 않으면서 칩 위에 장착할 수 있는 매우 작은 배터리가 필요하다. 이번 연구진은 차세대 리튬-이온 기술을 개발하기 위해서 나노구조로 된 재료를 사용했다. 이 나노재료는 훨씬 더 큰 열적 및 기계적 안정성을 가지고, 누출 문제가 없으며, 배터리를 소형화할 수 있도록 매우 얇은 전해질 층으로 만들 수 있다.

표준 리튬 이온 및 기타 이온 배터리들은 리튬 이온을 이동시키기 위해서 액체 전해질을 사용한다. 배터리를 사용할 때 이온 이동은 한 방향으로 흐르고, 배터리를 충전할 때 반대 방향으로 흐른다. 그러나 액체 전해질은 부피가 크고, 배터리를 사용할수록 성능이 저하되고, 누출될 가능성이 있고, 폭발을 일으킬 수 있다는 단점들을 가지고 있다. 이에 비해서 고체 전해질들은 상당히 더 안정적이지만 이온들이 훨씬 느리게 움직여서 덜 효율적이다.

셀렌화구리 나노클러스터 전해질은 액체 전해질과 고체 전해질의 장점들을 모두 가지고 있다. 이것은 고체 상태이기 때문에 안정적이고, 이온들을 쉽게 이동할 수 있다. 셀렌화구리는 고온에서 초이온성을 가진다고 알려져 있지만, 이번 연구로 매우 작은 클러스터가 상온에서 초이온성을 가진다는 것이 최초로 증명되었다.

이번 연구진은 셀렌화구리의 표면 반응성을 조사하면서 이런 초이온성 특성을 우연히 발견했다. 매우 작은 나노클러스터는 약 2 나노미터의 지름을 가졌고, 전자 현미경으로 관찰했을 때 더 큰 셀렌화구리 나노입자와는 상당히 다른 형상을 가지고 있었다. 이런 작은 클러스터는 상온에서 반액체 상태로 존재했다.

반액체, 초이온성을 가지는 이유는 나노클러스터의 특별한 구조 때문이다. 셀렌화 이온들이 더 커질수록 결정구조를 형성하지만, 구리 이온들이 더 작아질수록 액체처럼 이동한다. 이런 결정 구조는 클러스터 속의 내부 변형 때문이다.

약 100 개의 원자들을 가진 이런 나노클러스터는 분자와 나노입자의 경계면에 존재한다. 현재 나노기술의 가장 큰 난점은 모든 나노입자들을 동일한 크기와 형상으로 만드는 것이다. 이번 연구에서 개발한 클러스터는 정확히 동일한 구조를 가지고 있다. 이런 크기에서, 재료의 전기적 구조는 너무나 안정적이어서 모든 단일 클러스터가 동일한 원자 배열을 가지게 한다.

이번 연구진은 배터리 속에 나노클러스터를 통합하고 리튬 이온의 전도성을 측정하고 기존의 고체 상태 전해질 및 액체 전해질과 성능을 비교할 계획을 가지고 있다. 이 연구는 셀렌화구리 나노클러스터가 상온에서 초이온성을 가지고 있다는 중요한 사실을 알게 했다. 이것은 나노기술 분야에 큰 진전을 이루게 하고 고체 상태 배터리 개발에 중요한 역할을 할 것이다.

이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Liquid-like cationic sub-lattice in copper selenide clusters” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1038/ncomms14514).