고려대 유승호 교수팀, 차세대 나트륨 이차전지 양극 소재 개발

입력 2021.07.20 16:07

고려대 연구진이 용량과 안정성을 향상한 이차전지 양극재 개발에 성공했다.

고려대는 유승호 공과대학 화공생명공학과 교수 연구팀(제1저자: 박성준 석박통합과정 1년차)이 나트륨 이온 이차전지 양극 소재에 소량의 리튬 이온을 도핑하는 전략으로 기존 보고된 소재보다 용량과 안정성, 속도성능이 모두 향상된 양극재를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 성능이 향상된 구조적 원인 규명에도 성공했다.

논문 설명 그림 / 고려대
리튬은 지각 내 매장량이 적고, 가격이 점점 증가하고 있다. 상용화된 리튬 이온 전지의 수요를 충족시키기 위한 대체재의 필요성이 높아 나트륨 이온 전지가 주목을 받는다. 나트륨은 매장량이 풍부하고, 가격도 저렴해서다.

하지만 나트륨 이온 전지는 리튬 이온 전지보다 용량과 에너지 밀도가 낮다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 전략으로 음이온 산화환원 반응에 관한 많은 선행 연구들이 진행돼 왔다.

나트륨 이온 이차전지 양극재는 나트륨, 전이 금속, 산소가 결합된 층상구조를 이룬다. 전이 금속은 전지의 충/방전 과정에서 산화환원 중심체의 역할을 한다. 이를 양이온 산화환원 반응이라 부른다. 산화환원 반응의 양이 많을수록 이차전지의 에너지 밀도가 높아진다.

전이 금속뿐 아니라 산소도 산화환원 반응에 참여할 수 있다는 것이 알려졌다. 이를 음이온 산화환원 반응이라 부른다. 이 반응을 추가로 활용하면 산화환원 반응의 총량이 증가해 월등히 높은 전극 용량, 셀 측면에서 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 하지만 음이온 산화환원 반응의 낮은 가역성으로 인해 전지 수명 저하를 유발하고, 속도 저하 등 해결해야 할 과제들이 존재한다.

유승호 교수팀은 나트륨 이온 이차전지의 전이 금속층에 소량의 리튬을 도핑해 구조안정성을 높이고 나트륨 이온의 확산 속도를 높이는 효과를 유도했다. 이를 통해 용량과 수명, 속도성능이 모두 개선된 차세대 나트륨 이온 이차전지 양극 소재 개발에 성공했다. 성능이 향상된 구조적 이유에 대한 전기화학적 분석을 제시해 이해도를 높였다.

이번 연구는 경희대 김두호 교수 연구팀과 공동연구로 이뤄졌다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈(Energy Storage Materials)’ (IF=17.8)에 18일(현지시각) 게재됐다.

승호 고려대 교수는 "이번 연구에서 제시된 리튬 이온 도핑 전략은 낮은 에너지 밀도가 문제점이었던 나트륨 이온 이차전지의 활용 가능성을 보여줬다"며 "향상된 성능과 음이온 산화환원 반응 활용에 대한 구조적 원인 규명이 뒷받침됐기 때문에 나트륨 이온 전지 양극재 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

이광영 기자 gwang0e@chosunbiz.com


키워드