대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)는 홍승태 에너지공학전공 교수 연구팀이 차세대 이차전지로 각광받는 칼슘이온전지용 양극소재인 'NaV2(PO4)3'를 개발했다고 24일 밝혔다. 리튬이온전지의 용량과 성능을 개선한 칼슘이온전지 상용화를 앞당기는 연구로 평가받는다.
리튬이온전지는 모바일기기와 전기차 등 다양한 분야에 적용되는 대표적인 이차전지지만 구현가능한 에너지밀도가 한계에 봉착해 있다. 리튬이온전지를 대체하기 위해 칼슘이온을 이용한 이차전지 연구가 주목받는 이유다.
이차전지는 이온이 전자와 함께 양극과 음극을 이동하면서 충전과 방전이 일어난다. 이 때 이동하는 전자 수와 양극소재의 특성에 따라 배터리 용량과 전압이 결정되는데, 리튬은 이온당 한 개의 전자가 같이 이동하지만 칼슘은 이온당 두 개의 전자가 이동 가능한 2가 양이온이다. 따라서 이론상 리튬이온전지보다 2배 용량이 가능하며 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다.
연구팀은 칼슘이온의 특징을 고려해 높은 구조적 안정성을 가진 '나시콘 구조(NASICON)' 기반의 양극소재인 'NaV2(PO4)3'를 개발했다. 연구팀은 NaV2(PO4)3의 구조 분석과 칼슘의 탈·삽입 메커니즘 분석을 위해 분말 X선 회절기법을 이용했다. 이를 통해 양극소재 구조에 칼슘이온이 탈〃삽입 되는 과정에서 발생하는 구조 변화를 규명하면서 높은 용량과 작동전압이 구현 가능함을 증명했다.
홍승태 교수는 “탈·삽입 기반의 칼슘이온 이차전지용 양극소재를 개발하고 작동 메커니즘을 최초로 규명했다”면서 “이러한 작동원리를 적용하면 더욱 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 칼슘이온전지용 양극소재 개발 지표가 될 것”이라고 밝혔다.
삼성미래기술육성사업을 통해 진행된 이번 연구에는 DGIST 에너지공학전공 전부식 박사과정생과 허종욱 박사가 공동1저자로 참여했다. 아울러 최근 소재화학 분야 국제학술지 'Chemistry of Materials' 온라인판에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
