불순물

불순물(Impurity)이란 순수한 물질에 자연적 또는 인위적으로 첨가되는 작은 양의 화학물질이다. 불순물은 순수(純粹)한 물질 속에 섞여 있는 혼합물로 금속이나 합금 등에 포함되어 있다. 물론 불순물은 많이 포함되어 있을수록 순물질의 성질을 떨어뜨리기 때문에 불순물을 제거하는 것이 일반적이지만 기술적인 문제로 쉽게 제거할 수 없거나 반도체 등의 공정에 있어 양공을 형성하기 위하여 일부러 불순물을 섞는 경우도 있다. 일반적으로 철강에 포함된 불순물은 그 성질에 따라 금속성 불순물과 비금속성 불순물 및 가스 불순물의 세 가지로 구분을 하는데 금속성 불순물로는 규소(S), 인(P), 망가니즈(Mn) 등이 있고 비금속성 불순물로는 금속성 불순물의 산화물 및 규산염 등이 이에 속한다. 가스 불순물의 경우 미소한 양이라도 항상 철강에 포함되어 있는데 그 종류로는 수소(H₂)나 질소(N₂) 등이 있다.

배터리 방전·충전 때마다 리튬이온이 전해액을 오가는데 이 전해액이 불순물과 반응해 기체로 바뀌게 되면 부피가 2000배가량 커져 배터리가 팽창하게 된다. 오래 쓴 배터리의 경우 내부에 불순물이 생겨 점점 부풀어 오를 수 있다. 배터리의 다결정 양극재는 충·방전을 자주 하면 부서져 불순물이 생기고 배터리 효율을 감소시킨다. 반면 단결정 양극재는 잔해물과 불순물이 잘 생기지 않아 배터리 수명과 용량이 높고 가공비도 절감할 수 있다.

자연과학부의 김병수 교수와 에너지 및 화학공학부의 이상영 교수 공통 연구팀 개발한 기능성 나노셀룰로스가 도입된 분리막은 화학작용에 참여해 불순물을 걸러내는 등의 역할을 한다. 연구팀은 분리막 성능을 높이는 효과적인 2층 구조를 설계했다. 작은 구멍(㎚)을 가진 기능성 나노셀룰로스에 큰 구멍(㎛)을 가진 다공성 고분자 섬유를 붙여 구멍이 많고 균일한 구조를 만든 것이다. 여기에 더해 기능성 나노셀룰로스가 화학반응에 참여하므로 전지 성능을 떨어뜨리는 불순물 제거에도 도움을 준다. 개발한 분리막은 차세대 양극 활물질로 주목받는 리튬망간산화물(LiMn₂O₄, LMO)의 상용화에도 기여할 전망이다. 이 물질은 저렴하고 출력 특성이 우수해 고용량 배터리로 주목받지만 고온에서 망간이 흘러나오는 단점이 있었다. 이는 고온에서 전지 성능을 급격하게 악화시키는데, 새로운 분리막을 쓰면 이러한 현상을 개선시킬 수 있다.

참고자료

• 〈불순물(impurity)〉, 《사이언스올》
• 〈“분리막의 재발견”… 불순물 잡고, 전지 성능 높인다! – 김병수-이상영 교수팀 | UNIST 에너지화학공학과〉, 《유니스트》, 2016-08-04
• 김경필 기자, 〈아이폰8플러스 배터리는 왜 자꾸 '배불뚝이'가 되나〉, 《조선비즈》, 2017-10-17
• 김우현 기자, 〈(표지로 읽는 과학) 오래 가는 전기자동차 실현해 줄 단결정 양극재〉, 《동아사이언스》, 2020-12-13

같이 보기

• 물질
• 금속

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