KAIST, 나트륨이차전지용 그래핀 및 게르마늄 황화물 전극 개발

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국내 연구진이 그래핀과 게르마늄 황화물로 나트륨이차전지 성능을 높이는 전극을 개발했다. 나트륨이차전지 상용화 및 새로운 이차전지 전극 개발에 기여할 전망이다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 김도경 KAIST 신소재공학과 교수팀이 새로운 그래핀-게르마늄 황화물 전극을 이용해 용량 및 부피팽창 문제를 해결하는데 성공했다고 12일 밝혔다.

그래핀-게르마늄 황화물 전극의 전지 구동 모식도
<그래핀-게르마늄 황화물 전극의 전지 구동 모식도>

나트륨이차전지는 리튬이차전지를 대체할 새로운 에너지 저장장치다. 자연에 풍부한 나트륨을 이용해 저렴한 것이 가장 큰 특징이다. 문제는 성능 제약이다. 주로 음극 소재로 흑연, 실리콘, 전이금속 산화물 등을 이용하는데 전기전도도가 낮아 용량 및 충·방전 속도가 기존 이차전지보다 떨어진다. 장기간 사용 시 부피가 팽창하는 안전성 문제도 부각된다.

연구팀은 그래핀에 게르마늄 황화물을 더한 새로운 음극을 개발해 문제를 해결했다.

그래핀은 자체 전기전도도가 높다. 여기에 게르마늄 황화물을 균일하게 분포하면 기존 전극을 이용할 때 보다 더 많은 전력을 보유할 수 있다. 게르마늄 황화물이 전기화학 반응 시 액체처럼 비정질 원자 배열을 이루면서 나트륨 이온 수용량이 늘어난다. 이 결과 초기용량이 1g 당 805밀리암페어아워(mAh)인 이차전지를 구현할 수 있다.

새로운 전극은 부피 팽창 문제도 해결한다. 그래핀이 전체 전지를 지지해 물리변화를 막는 역할을 한다.

김도경 KAIST 교수
<김도경 KAIST 교수>

연구팀은 이번 연구로 이차전지 전기화학구동원리를 파악해 다른 음극 물질 개발에도 적용할수 있다고 설명했다.

김도경 교수는 “나트륨이차전지 음극 소재가 가진 어려움을 돌파하는 연구를 진행했다”며 “확보한 전극 소재 합성, 전극, 이차전지 충·방전 후 성능 분석 기술은 향후 에너지분야에서 파급효과가 클 것”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com