전남대학교는 차세대 배터리 소재 연구실(지도교수 김재국) 연구팀이 높은 출력과 뛰어난 안정성을 가진 소듐이온전지용 고엔트로피 양극소재를 개발했다고 22일 밝혔다.
연구팀은 슈퍼이온 전도체이면서 유망한 소듐이온전지 양극 소재로 알려진 나시콘 소재(Na3V2(PO4)3, NVP)에 고가의 희귀금속인 바나듐(V) 대신 친환경적이며 저렴한 철(Fe), 타이타늄(Ti)을 사용해 우수한 출력과 수명이 길어진 소재를 개발했다.
이 성과는 세계적인 출판사 와일리(Wiley)의 학술지이자 에너지 및 소재 분야에서 인정받고 있는 '카본 에너지'에 실렸다.
연구팀이 개발한 나시콘 타입의 Na3VFe0.5Ti0.5(PO4)3는 순수한 NVP소재와 비교해 치환된 전이금속을 중심으로 구조적 뒤틀림을 유발한다. 이 변화는 나트륨(Na) 이온이 확산 시 극복해야하는 에너지 장벽을 낮출 뿐만 아니라 전자구조를 변형시켜 전자 전도도 향상 및 V의 4+/5+ 반응을 유도한다.
이러한 원자단위의 변화는 양극 소재의 출력 특성 및 에너지 밀도를 향상시키고, 고엔트로피 소재에 대한 가능성을 보여준다. 뿐만 아니라 합성 비용 및 환경 측면에서 상업화 가능성을 제시한다.
고엔트로피 소재는 다양한 원소종으로 치환돼 무질서도가 높아진 소재를 의미하며, 높은 무질서도에 의해서 발생하는 시너지효과로부터 우수한 특성을 발현하는 소재를 뜻한다.
김재국 교수는 “이번 연구 결과들은 NVP소재의 상업화에 장애가 되는 가격 및 독성에 대한 문제점을 극복할 수 있는 단초를 제공하고, 고엔트로피 소재에 대한 연구에 대해서도 활력을 불어 넣을 것”이라며, “특히 저가형 고출력, 고수명 소재를 겨냥해 폭넓은 신소재 기술을 AI기술과 융합해 시너지 연구를 창출할 수 있을 것”으로 기대했다.
김재국 교수팀은 지난 2012부터 소듐 이차전지 시스템에 대한 가능성을 예측해 활발한 연구를 수행하고 있다. 이번 연구는 선도연구센터(ERC)사업, 국가연구실(N-LAB)사업의 지원으로 수행했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
