국립금오공과대학교는 박철민 재료공학부 신소재공학전공 교수 연구팀이 고에너지·고출력 나트륨(소듐)이온전지에 적용할 수 있는 '주석(Sn) 기반 나노복합체 음극 소재'를 개발했다고 3일 밝혔다.
최근 전기차와 에너지저장장치 시장이 빠르게 성장하면서, 기존 리튬이온전지를 보완할 차세대 배터리 기술로 나트륨이온전지가 주목받고 있다. 나트륨이온전지는 매장량이 풍부하고 가격경쟁력이 높은 장점이 있다. 그러나 리튬이온보다 크고 무거워 전극 반응 속도가 상대적으로 느리며, 충·방전 과정에서 큰 구조 변화가 발생해 전극의 장기 안정성을 확보하기 어렵다는 한계가 있다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 주석에 주목했다. 주석은 높은 이론용량과 낮은 작동 전위, 우수한 전자전도도를 지닌 유망한 합금계 음극 소재다. 하지만 나트륨 저장 과정에서 큰 부피 변화와 결정립 응집이 발생해 전극 구조가 쉽게 불안정해진다. 또 충·방전 과정에서 배터리 성능 저하가 시작되는 다양한 중간상이 형성되기 때문에, 주석 음극의 성능을 향상시키기 위해서는 나트륨 저장 반응 메커니즘을 명확히 규명하는 것이 중요하다.
연구팀은 방사광가속기를 활용한 '주석 K-edge X선 흡수 미세구조 분석'을 통해 주석 음극에서 형성되는 주요 중간상과 가역적인 나트륨 저장 반응 경로를 규명했다. 이를 바탕으로 충·방전 과정에서 나타나는 주석 음극의 구조변화와 성능 저하 원인을 밝혀내고, 고용량의 안정적인 음극을 설계할 수 있는 과학적 기반을 마련했다.
연구팀은 규명된 반응 메커니즘을 토대로 '주석 나노복합체'를 설계했다. 해당 소재는 산화주석, 알루미늄, 탄소를 출발물질로 사용해 단일 기계화학적 환원 공정으로 제조할 수 있어 공정이 간단하고 효율적이다. 공정 중 형성된 산화알루미늄은 주석의 부피 변화를 완충하며, 탄소는 전자의 이동을 돕는 상호보완적 구조를 통해 반복적인 충·방전 이후에도 안정적인 복합체 구조를 유지한다.
또 완전셀 구동 과정에서 발생하는 초기 나트륨 손실을 보완하기 위해 직접 접촉식 사전 나트륨화 기술도 적용했다. 그 결과, 최종 설계된 주석 나노복합체 음극은 약 100%의 초기 쿨롱효율을 나타냈으며, 상용 하드카본 음극보다 높은 가역용량과 우수한 전기화학적 안정성을 보였다.
이 음극을 적용한 나트륨이온 완전셀은 263.3 Wh/㎏의 높은 에너지밀도를 구현했으며, 높은 전류밀도에서도 안정적인 충·방전 성능을 유지했다. 특히 이론적으로 약 6분 내 충·방전이 가능한 속도인 10C(C-rate)의 고율 조건에서도 우수한 성능을 나타냈다. 이는 개발된 주석 나노복합체가 고에너지·고출력·급속충전 나트륨이온전지용 음극 소재로 활용될 수 있음을 보여준다.
박철민 교수는 “이번 연구는 주석 음극의 나트륨 저장 반응 메커니즘을 규명하고, 이를 기반으로 구조적 안정성이 향상된 주석 나노복합체 음극을 설계했다는 점에서 의미가 있다”며 “사전 나트륨화 전략을 통해 초기효율 문제까지 효과적으로 보완함으로써 고에너지·고출력 나트륨이온전지의 실용화 가능성을 한층 높일 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업, 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 박철민 국립금오공대 교수와 전기준 인하대 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 국립금오공대 이영한 연구원이 제1저자, 윤정명·한제현 박사과정 연구원이 공동저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 재료 분야 국제 학술지 '어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈'에 게재됐다.
구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
