차세대 '나트륨 이온전지' 대용량 음극소재 개발…상용화 기대"
국내 연구진이 리튬보다 훨씬 값싼 나트륨을 이용해 나트륨이온전지용 대용량 음극 소재를 개발했다. 나트륨이온전지는 현재 상용화돼 널리 사용되는 리튬이온전지를 대체할 차세대 전지 후보로 주목받고 있다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 18일 에너지저장연구단 김상옥 박사팀이 리튬이온전지보다 저렴한 나트륨이온전지에 적용할 수 있는, 성능은 향상되고 가격은 저렴한 음극 소재를 개발했다고 밝혔다. 

각종 모바일기기는 물론 전기자동차가 급속히 상용화되면서 이차전지 수요가 급격히 늘고 있다. 

하지만 고가의 리튬을 사용하는 리튬이온전지는 전기자동차 원가의 30%가량을 차지할 정도로 비싸 저렴한 고효율 이차전지를 개발하려고 전 세계에서 활발하게 연구중이다. 

리튬이온전지를 대체할 차세대 이차전지 후보 중 하나가 지각 보존량이 리튬보다 500배 이상 많은 나트륨을 사용하는 나트륨이온전지다. 나트륨이온전지는 상용화되면 리튬이온전지보다 40%가량 저렴할 것으로 예상된다. 

연구팀은 이 연구에서 대용량 음극 소재 후보로 주목받는 금속 황화물 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)을 활용해 리튬이온전지의 흑연 음극 소재보다 1.5배 많은 전기를 저장하고 충·방전을 200회 반복해도 성능이 감소하지 않는 안정적인 음극 소재를 개발했다. 

이황화몰리브덴 나노입자를 만든 뒤 저가의 친환경 재료인 실리콘 오일을 섞어 열처리하는 단순한 공정으로 세라믹 나노코팅층을 가진 300~400㎚ 크기의 이종복합소재를 제작, 높은 전기 저항과 작동할 때 발생하는 구조적 불안정성 문제를 극복했다. 

연구팀이 개발한 소재는 전기저장용량이 600㎃h/ｇ 이상으로 코팅층이 없는 이황화몰리브덴 소재보다 2배 이상 크고, 5분 이내의 빠른 충·방전을 200회 반복해도 저장 용량이 그대로 유지되는 안정성을 보였다. 

이는 이황화몰리브덴 소재 표면의 높은 전도성과 강성을 가지는 세라믹 나노코팅층이 소재의 저항을 낮추고 구조를 안정시킬 뿐 아니라 코팅층 표면에 추가로 전기를 저장할 수 있기 때문이라고 연구팀은 설명했다. 

연구팀은 이 기술의 실용화를 위해서는 전극 대면적화와 양극 소재와의 완전 셀(Full-cell) 정합성 연구 등 후속 연구가 필요하다고 덧붙였다. 

김상옥 박사는 "저렴하고 친환경적인 재료를 활용하는 이 기술을 통해 전극 소재 생산 공정비용을 낮추면 대용량 전력 저장장치용 나트륨이온전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다. 

이 연구결과는 국제학술지 'ACS 나노'(ACS Nano) 최신호에 게재됐다. 

어떤 소재를 이용하면 전기자동차의 원가를 줄일 수 있어
나트륨이온전지