나트륨 2차전지, 기존 대비 8배 향상 물질 개발 성공

매장량이 풍부한 나트륨 2차전지의 조기 상용화에 기여 가능

국내 연구자가 기존의 나트륨 2차전지 음극소재 용량 대비 약 8배 향상된 물질 개발에 성공했다.

미래창조과학부와 한국연구재단은 미국에서 박사 후 연구원 연수중인 국내 연구자가 흑린을 이용한 고용량 나트륨 2차전지 음극 물질 개발에 성공했다고 30일 밝혔다. 흑린(Black Phosphorus)은 결정 구조와 겉모습이 흑연과 비슷하며, 그래핀과 같은 2차원 반도체 소자 재료로 많은 연구가 이뤄지고 있는 소재다.

재충전 사용할 수 있는 나트륨 2차전지는 현재 2차전지 시장의 대부분을 차지하고 있는 리튬 2차전지와 비슷한 원리를 가지고 있으면서도 리튬에 비해 매장량이 풍부해 차세대 2차전지로 불리며 많은 연구가 이루어지고 있다.

흑린이 나트륨 이온과 반응시 부피팽창 거동. 인시츄 투과전자현미경 분석 방법을 통해 관찰한 결과, 흑린이 충전될 때 입자가 지그재그 방향과 수직인 y축으로 팽창이 일어남을 알 수 있다.

하지만 전지 특성(전압, 용량, 수명)이 현저하게 떨어진다는 단점을 가지고 있어 상용화를 위해서는 충·방전 사이클 특성이 우수한 고용량 나트륨 2차전지 전극 소재 개발이 요구돼왔다.

스탠포드대학교 재료공학과에서 박사 후 연구원 연수중인 이현욱 박사가 포함돼 있는 연구팀은 흑린과 그래핀(Graphene)을 겹겹이 구성해 나트륨 이온이 반응하기에 적합한 구조를 만들었다.

그 결과 기존의 나트륨 2차전지 음극 소재로 연구되고 있는 탄소류의 Hard carbon에 비해 약 8배 향상된 용량을 가지는 것을 확인했다. 이는 현재 리튬 2차전지에 상용화되고 있는 흑연 음극에 비해서도 약 7~8배 높은 값을 가지는 것이다.

또한 물질에 특성변화를 가하고 그에 대한 모양변화를 실시간으로 강한 전자의 가속력을 이용한 현미경으로 관찰하는 측정 방법인 인시츄(in-situ) 투과전자현미경 방법을 통해 나트륨 이온이 흑린과 반응했을 때의 변화 과정을 실시간으로 관찰함으로써 실질적으로 2차전지 내에서 어떤 반응이 일어나고 있는지를 알 수 있다.

그 결과 전압, 용량, 수명과 관련된 나트륨 2차전지의 단점 가운데 용량을 크게 개선해 매장량이 풍부한 나트륨 2차전지의 상용화에 기여할 수 있게 됐다.

이현욱 연구원은 “본 연구는 나트륨 이차전지에 적합한 음극 물질을 개발함으로써 나트륨 2차전지 상용화에 크게 기여할 것으로 기대되며, 다양한 전지 내에서의 실제 반응을 관찰에 고배율 투과전자현미경을 통한 효과적인 방법을 제시한 것에 의미가 있다”라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 지원하는 학문후속세대양성사업을 통해 수행됐으며, 연구결과는 나노과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’온라인판에 9월 7일 게재됐다.