동국대, 경희대, 서울대 공동연구팀 개발
저가형 에너지 저장 시스템을 위해...
동국대 강용묵 교수 연구팀은 경희대, 서울대와의 공동 연구를 통해 현재 사용되고 있는 리튬이차전지에 비해 부존자원이 풍부하고 가격경쟁력이 우수한 나트륨 이차 전지용 인계 금속 음극 소재의 수명 특성 및 고율 특성 향상을 위한 주요 설계인자를 규명하는데 성공했다.
신재생 에너지 시대 전력 저장 및 분배에 있어서 핵심이라 할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기자동차(EV) 부문은 높은 출력, 높은 에너지 밀도, 낮은 단가를 동시에 구현할 수 있는 이차 전지의 출현을 요구하고 있다. 특히 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 리튬 전구체의 부존량 한계와 높은 가격으로 인해 단가 및 부존량 측면에서 상대적인 장점이 두드러지는 나트륨 이온 이차 전지에 대한 관심이 커지고 있다.
강용묵 교수팀은 다년간 리튬 이온 이차 전지 양극 및 음극의 성능에 필적하면서도 낮은 단가를 가지는 나트륨 이온 이차 전지 양극용 Mn(망간)계 산화물 소재 및 음극용 인(P)계 금속 소재 등에 대한 연구를 진행해왔다. Mn계 산화물 양극 소재에 대한 연구 성과에 이어서 고용량 음극 소재로서 높은 가능성을 가지는 인계 금속 음극 소재에 대한 기반 기술 개발에도 성공했다.
인계 소재는 높은 용량에도 불구하고 하드카본과는 달리 나트륨 이온과의 합금화/비합금화 반응을 통해 충방전이 이루어지기 때문에 부피팽창과 상분리가 수반되고 결과적으로 수명특성 및 고율특성이 조기에 퇴화되는 문제점을 가지고 있다. 이번 연구에서는 인계 소재와 금속의 복합소재가 제조되었을 때 나트륨 이온의 충전 과정에서 인의 부피팽창에 대한 수용 능력이 증가하며, 전기화학특성 퇴화를 가속화시키는 상분리 또한 감소한다는 점을 규명함으로써 고용량 고수명 인계 음극 소재의 구현을 위한 중요한 설계 방향을 제시했다.
강 교수는 “전세계적으로 전기자동차(EV)로의 전환은 이미 아주 빠르게 진행되고 있으며, 결국 전기자동차 뿐 아니라 이를 충전하기 위한 시스템의 단가에 대한 고민이 산업적으로 매우 중요해지고 있다. 이런 점을 고려하여 본 연구 그룹에서는 나트륨 이온 이차 전지 연구에 있어서 단가가 가장 낮은 Mn 기반의 양극 소재, 인계 음극 소재에 초점을 맞춰 연구를 진행해오고 있다. 특히 리튬 이차 전지 대비 가격 측면에서의 장점이 있는 나트륨 이차 전지의 에너지 밀도를 리튬 이차 전지와 유사한 수준으로 향상시키기 위해서는 고용량 인계 음극 소재의 수명 특성 및 고율 특성 안정화가 매우 중요한 상황이고, 이런 측면에서 본 연구 결과의 중요성이 있다고 생각된다”고 말했다.
이 연구결과의 제 1저자로는 해외우수신진연구자 지원 사업의 지원을 받고 있는 동국대 장카이 박사와 경희대 김두호 교수가 참여했으며, “한국연구재단 해외우수신진연구자 지원 사업, 중견 연구 사업” 등의 지원을 받아 경희대 김두호 교수, 서울대 조맹효 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 수행됐다. 해당 결과는 에너지 환경 분야 권위지인 ‘Energy & Environmental Science’지에 지난 2월 15일 인터넷 판으로 게재됐다.
