리튬을 대체할 차세대 배터리로 주목받는 나트륨이온전지의 고질적인 성능 저하 문제를 국내 연구진이 공동 연구를 통해 명쾌하게 해결하며 차세대 배터리 영토 확장의 발판을 마련했다.
포항산업과학연구원(RIST·고동준) 분석평가센터는 조창신 포스텍(POSTECH) 배터리공학과 교수팀과의 공동 연구를 통해 차세대 나트륨이온전지 양극재의 열화 메커니즘을 규명하고, 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 탈수 공정 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
나트륨이온전지는 기존 리튬이온전지에 비해 자원 풍부성이 높아 원가 경쟁력이 탁월하고 저온 구동 성능이 우수해 글로벌 배터리 시장의 게임 체인저로 꼽힌다. 특히 '프러시안 블루(Na-rich Prussian Blue)' 소재는 높은 용량을 구현할 수 있어 유망한 양극재로 각광받아 왔다. 하지만 소재 내부에 잔류하는 미량의 수분이 충·방전 과정에서 전해액을 분해하고 가스를 발생시켜, 전지 수명과 성능을 급격히 떨어뜨리는 고질적인 한계가 있었다.
이를 해결하기 위해 기존에는 고온 열처리 방식을 사용했으나, 이는 도리어 양극재 표면에 미세한 손상을 유입시키는 또 다른 부작용을 낳았다. 이에 공동 연구팀은 표면 손상을 원천 차단하면서도 수분을 효과적으로 제거하는 '액상 저온 탈수 방법'이라는 신개념 공정을 도입해 돌파구를 찾았다.
이 과정에서 RIST 분석평가센터는 첨단 분석 역량인 '실시간 전기화학 질량분석(in-situ DEMS)' 기술로 연구 완성도 높였다. in-situ DEMS는 배터리가 실제 구동(충·방전)되는 동안 내부에서 발생하는 미세 가스를 실시간으로 포착해 질량 단위로 정밀 분석하는 난이도 높은 기술이다.
연구에 공동저자로 참여한 RIST 분석평가센터 한종윤·김주원 박사는 이 첨단 분석 기법을 통해 충전 중 가스 발생 거동을 실시간으로 분석해 냈다. 그 결과, 신규 액상 저온 탈수 공정을 거친 양극재가 기존 소재 대비 이산화탄소(CO₂) 및 수소(H₂) 등의 가스 방출량을 획기적으로 감소시킨다는 사실을 과학적인 데이터로 완벽히 입증하며 공정의 우수성을 증명했다.
RIST 분석평가센터 관계자는 “이번 성과는 대학의 기초 원천 연구와 연구원의 첨단 분석 솔루션이 시너지를 내어 차세대 전지의 상용화 장벽을 무너뜨린 모범 사례”라며, “앞으로 포스텍을 비롯한 국내외 우수 연구진과의 개방형 협업을 강화해 산업 현장의 기술 난제를 해결하는 맞춤형 분석 솔루션을 제공하겠다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구 성과는 최근 재료 분야 세계 최고 권위의 국제 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
