나트륨 전지 용량을 2배로 키웠다

KBSI-고려대 공동연구로 나트륨전지 음극소재 개발
수산화철-섬유원료 결합한 유무기 하이브리드 음극

[파이낸셜뉴스] 한국기초과학지원연구원(KBSI) 서울서부센터 조지웅 박사팀이 고려대 신소재공학과 김영근·강용묵 교수팀과 함께 나트륨 전지의 충방전 용량을 2배 키울 수 있는 음극 소재를 개발했다. 연구진이 개발한 음극 소재는 경제성이 높은 '수산화철'과 뿔테안경이나 섬유 원료로 쓰이는 '아세테이트'를 결합해 만든 것으로, 유기물과 무기물을 혼합한 하이브리드 소재다. 이를 통해 용량을 100% 이상 늘렸을 뿐만아니라 효율도 30% 이상 향상시켰다.

KBSI 측은 "이론용량과 가격 등의 한계가 존재하는 리튬이온전지를 대체할 새로운 이차전지 개발의 필요성이 요구되는 가운데, 이번 소재 개발로 고용량·저비용 나트륨 이온 전지의 상용화에 가속도가 붙을 것"이라고 전망했다.

학계에서는 차세대 나트륨 전지의 전극 소재로 경제성이 높은 수산화철이 각광받고 있다. 그러나, 수산화철은 원자 반경이 큰 나트륨 이온의 특성상 화학반응과 전환반응 과정에서 일어나는 철이온의 급격한 산화와 결정구조의 불안정이 존재한다. 이때문에 전지를 사용한 뒤 다시 충전하는 과정에서 전지를 원상태로 되돌리지 못해 이론용량보다 실제용량이 떨어지게 된다.

연구진은 전지를 충전할때 원래의 충전용량으로 되돌리기 위해 수산화철과 아세테이트를 섞어 음극 소재를 만들었다. 여기에는 자연상태에서 생물학적인 철의 산화와 환원 반응을 모방한 것이다.

강용묵 교수는 "유기물의 반응을 결합시켜 전환 반응을 원상태로 되돌릴 수 있도록 만드는 시도는 향후 고에너지 밀도의 전극 소재를 개발하는 데 있어, 새로운 접근방법을 제시한 것"이라고 말했다.

연구진은 음극소재를 만들때 수산화철과 아세테이트를 층상구조방식으로 결합시켰다. 층층이 쌓인 형태의 구조는 층간 간격을 더 크게 확보해 리튬보다 원자 반경이 큰 나트륨 원자가 떨어져 나가거나 다시 들어오는 것을 쉽게 만든다. 즉 충방전이 잘 이뤄지게 만든 것이다.

결과적으로, 계속해서 방전과 충전을 거듭하는 동안에 아세테이트와 수산화철의 산화-환원 결합으로 인해 만들어진 탄산염은 나트륨 이온의 저장을 위한 안정적이고 가역적인 중심 창구 역할을 하게 된다.

연구진은 이를 통해 상용화가 가능한 수준의 고용량, 저비용 나트륨 전지 개발은 물론, 현재 사용하고 있는 리튬이온전지의 성능도 향상시킬 수 있는 소재 개발도 가능할 것으로 보고 있다.

조지웅 박사는 "이번 연구는 자연에 존재하는 화학 반응을 모방해, 이차전지 전극소재 개발에 적용한 매우 의미있는 결과"라고 말했다.

한편, 연구진은 이번 음극소재 개발 결과를 재료과학분야 세계적 권위 학술지인 '재료화학 A 저널(Journal of Materials Chemistry A)'에 최근 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자