국립금오공과대학교는 박철민 재료공학부 신소재공학전공 교수 연구팀이 고에너지·고출력 나트륨(소듐)이온전지에 적용할 수 있는 주석(Sn) 기반 나노복합체 음극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.
최근 전기차와 에너지저장장치 시장이 성장하며 리튬이온전지를 보완할 차세대 배터리로 나트륨이온전지가 주목받고 있다. 매장량이 풍부하고 가격경쟁력이 높지만, 나트륨이온은 리튬이온보다 크고 무거워 전극 반응 속도가 느리고 충·방전 시 전극의 장기 안정성을 확보하기 어렵다는 한계가 있었다.
박 교수팀은 높은 이론용량과 우수한 전자전도도를 지닌 주석에 주목했다. 주석은 나트륨 저장 과정에서 큰 부피 변화와 결정립 응집이 발생해 전극 구조가 불안정해지고 성능 저하를 일으키는 중간상이 형성된다.
연구진은 방사광가속기를 활용한 주석 K에지 X선 흡수 미세구조 분석으로 주석 음극의 주요 중간상과 가역적 나트륨 저장 반응 경로를 규명했다. 이를 바탕으로 충·방전 시 나타나는 구조변화와 성능 저하 원인을 밝혀 안정적인 음극 설계 기반을 마련했다.
이어 규명된 메커니즘을 토대로 산화주석·알루미늄·탄소를 출발물질로 사용, 단일 기계화학적 환원 공정을 통해 주석 나노복합체를 제조했다. 이렇게 형성된 산화알루미늄은 부피 변화를 완충하고 탄소는 전자 이동을 도와 반복적인 충·방전 이후에도 안정적인 구조를 유지한다.
아울러 완전셀 구동 시 발생하는 초기 나트륨 손실을 보완하기 위해 직접 접촉식 사전 나트륨화 기술을 적용했다. 최종 설계된 주석 나노복합체 음극은 약 100%의 초기 쿨롱효율을 보였으며, 상용 하드카본 음극보다 높은 가역용량을 나타냈다.
이 음극을 적용한 나트륨이온 완전셀은 263.3Wh/kg의 에너지밀도를 구현했으며, 약 6분 내 충·방전이 가능한 10C(C-rate)의 고율 조건에서도 우수한 성능을 유지했다.
박 교수는 "주석 음극의 나트륨 저장 반응 메커니즘을 규명하고, 구조적 안정성이 향상된 주석 나노복합체 음극을 설계했다"며 "사전 나트륨화 전략을 통해 초기효율 문제까지 보완하겠다. 고에너지·고출력 나트륨이온전지의 실용화 가능성을 높이기 위해 노력할 것"이라고 말했다.
한편 이번 연구는 '글로벌 TOP 전략연구단 지원사업'과 한국연구재단 '중견연구자지원사업' 및 '중점연구소지원사업'의 지원을 받아 수행됐다.
박 교수와 전기준 인하대 교수가 공동 교신저자로, 이영한 금오공대 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 'Advanced Functional Materials' 7월호에 게재됐다.
