고려대(총장 정진택)는 공대 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자: 박성준 석박통합과정 1년차)이 용량, 안정성, 속도성능이 모두 향상된 양극재를 개발하는데 성공했다고 20일 밝혔다.
리튬은 지각 내 매장량이 적고, 가격이 증가해 대체재 필요성이 부각됐다. 이에 매장량도 풍부하고 가격도 저렴한 나트륨 이온 전지가 주목을 받게 됐다. 그러나 나트륨 이온 전지는 리튬 이온 전지보다 용량과 에너지 밀도가 낮아, 이를 해결하기 위한 전략으로 음이온 산화환원 반응에 관한 많은 선행 연구가 진행됐다.
나트륨 이온 이차전지 양극재는 나트륨, 전이 금속, 산소가 결합된 층상구조를 이루고 있다. 여기서 전이 금속은 전지 충·방전 과정에서 산화환원 중심체 역할을 하고, 이를 양이온 산화환원 반응이라 부른다. 산화환원 반응 양이 많을수록 이차전지 에너지 밀도가 높아진다.
전이 금속뿐 아니라 산소도 산화환원 반응에 참여할 수 있다는 것이 알려졌고, 이를 음이온 산화환원 반응이라 부른다. 이 반응을 추가로 활용하면 산화환원 반응 총량이 증가하기 때문에, 월등히 높은 전극 용량과 셀 측면에서 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 그러나 음이온 산화환원 반응의 낮은 가역성으로 전지 수명 저하를 유발하고, 속도 저하가 해결 과제로 떠올랐다.
유승호 교수 연구팀은 나트륨 이온 이차전지 전이 금속층에 소량의 리튬을 도핑해 구조안정성을 높이고 나트륨 이온 확산 속도를 높이는 효과를 유도했다. 이를 통해 용량과 수명 그리고 속도성능이 모두 증가한 차세대 나트륨 이온 이차전지 양극 소재 개발에 성공했다. 또 성능이 향상된 구조적 이유에 대한 전기화학적 분석을 제시해 이해도를 높였다. 이번 연구는 경희대 김두호 교수 연구팀과 공동연구로 이뤄졌디/ 연구 성과는 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼즈에 7월 18일(현지시간 기준) 게재됐다.
유승호 고려대 교수는 “이번 연구에서 제시된 리튬 이온 도핑 전략은 낮은 에너지 밀도가 문제점이었던 나트륨 이온 이차전지의 활용 가능성을 보여줬다”면서 “향상된 성능과 음이온 산화환원 반응 활용에 구조적 원인 규명이 뒷받침됐기 때문에 나트륨 이온 전지 양극재 개발에 크게 기여할 것”이라고 기대했다.
김명희기자 noprint@etnews.com
