음이온도 화학반응하는 나트륨 이차전지 양극 개발

나트륨 이차전지의 용량 및 내구성 획기적 향상

산소의 산화 환원 반응을 나타내는 용량-전압 곡선 및 물질 구조 그림. 그래프의 빨간 색 곡선은 양이온(망간)의 산화 환원반응을 통해 용량이 구현되는 모습이고, 파란 색 곡선은 음이온(산소)의 산화 환원반응을 통해 용량이 구현되는 모습이다. 상기 물질은 충전 시 P2 구조에서 OP4 구조로, 방전 시 OP4 구조에서 다시 P2 구조로의 구조 변화를 보인다. * OP4 구조 : P2 타입과 O2 타입의 구조가 번갈아 나타나는 중간구조. 여기서 O2타입이란 층과 층 사이가 팔면체(octahedral)로 형성되는 구조이다.

음이온(산소)의 산화 환원 반응을 보이는 다른 물질들과의 비교. 다른 논문에서 발표된 음이온(산소)의 산화 환원 반응을 보이는 물질들과 비교해 보았을 때, 이번 연구에서의 물질의 용량 및 용량 유지율이 가장 좋음을 나타내었다.

이차전지의 양극에서 한 종류가 아닌 두 종류의 화학반응이 일어나 전지성능을 향상시키는 방법이 제시됐다.

세종대 명승택 교수 연구팀이 나트륨 이차전지 양극에서 양이온 뿐 아니라 음이온의 화학반응도 발생하도록 개발했다고 한국연구재단이 14일 밝혔다.

리튬 원자재의 희소성으로 인해 기존 리튬이차전지를 대체할 수 있는 나트륨 이차전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 나트륨 이차전지를 상용화할 수 있도록 에너지 용량을 높이고 우수한 구조적 안정성을 확보하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 이차전지의 양극에서 기존에는 양이온만 산화-환원 반응을 일으켰던 것과 달리, 기존 양극 물질에 음이온의 산화-환원 반응을 유도하는 아연을 30% 첨가했다. 이를 통해 양이온과 음이온이 각각 산화-환원 반응하여 에너지 용량이 높아지도록 했다.

구조의 기둥역할을 하는 아연의 영향으로 구조적 안정성 또한 우수해져, 200회의 충전 및 방전 실험에서 기존 양극 물질에 비해 40%의 용량 유지율 향상을 보였다.

명승택 교수는 “기존의 반응 기작과 다른 ‘음이온 산화-환원 반응’을 활용하여 고성능 나트륨 이차전용 양극 소재를 개발한 것이다”라며, “핸드폰, 가전제품, 나아가 전기자동차 및 대형 에너지 저장 장치에도 활용될 수 있을 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행되었다.

연구 결과는 에너지분야 국제학술지 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 2월 22일 게재됐다.

[e-mail] 조석장 기자