국립부경대학교는 최근 김경호 재료공학전공 교수 연구팀이 상용 소듐이온전지용 하드카본 음극의 낮은 용량과 고율 특성의 한계를 보완할 수 있는 새로운 음극 소재를 개발했다고 4일 밝혔다.
김 교수팀은 자원 부존량이 풍부하고 공급망이 안정적인 마그네슘과 적린을 기반으로 한 새로운 조성의 마그네슘 인화물(MgP4) 음극 소재를 개발해 하드카본 매트릭스에 소량 첨가하는 단계적 탄소 복합화 기술을 적용했다. 또 전기차용 리튬이온전지에서 널리 적용되고 있는 흑연-실리콘 복합 음극 기술을 참고했다.
소듐이온전지는 가격 경쟁력과 안전성 측면에서 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있지만, 리튬 대신 소듐 이온을 사용하기 때문에 실리콘이 고용량 특성을 발현하지 못하는 문제가 있었다.
연구진은 실리콘의 대체 후보 물질 중 하나인 적린의 발화성과 낮은 전기전도도 문제를 해결하기 위해 마그네슘을 합금화한 마그네슘 인화물을 활용했다. 이를 하드카본과 단계적으로 복합화해 하드카본의 우수한 안정성과 공정성을 유지하면서도 용량과 고율 충·방전 특성을 동시에 향상하는 데 성공했다.
김 교수는 "이번 연구를 통해 하드카본 기반 복합 음극의 가능성을 확인했다"며 "고용량 화합물의 추가 개질과 입도 조절을 통해 복합체의 성능을 더욱 높일 계획이다. 하드카본 내 첨가량을 최소화한다면 차세대 하드카본 복합 음극 플랫폼으로 발전시킬 수 있을 것"이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 혁신연구센터(IRC)의 지원을 받아 수행됐다. 교신저자인 김 교수를 비롯해 제1저자 하시온 석사후연구원, 김동원 석사과정과 이도연 서울대 박사과정, 김원식 박사, 홍성현 교수, 이민규 미국 노스웨스턴대 박사 등이 참여했다.
연구 결과는 'MgP4/CNT-Graphene Embedded in Hard Carbon Matrix as a High-Capacity Anode for Next-Generation Sodium-Ion Batteries'라는 제목으로 재료공학 및 융합과학 분야 학술지 'Advanced Science'(IF=14.1, Q1)에 게재됐다.
