흑린 이용한 나트륨 이차전지 음극 물질 개발

[산업일보]
미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)은 미국에서 박사 후 연구원 연수중인 국내 연구자가 흑린을 이용한 고용량 나트륨 이차전지 음극 물질 개발에 성공했다고 밝혔다.

흑린은 결정 구조와 겉모습이 흑연과 비슷하며, 그래핀과 같은 2차원 반도체 소자 재료로 많은 연구가 이뤄지고 있는 소재다.

스탠포드대학교 재료공학과 이추이(Yi Cui, 교신저자) 교수팀에서 박사 후 연구원 연수중인 이현욱 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 지원하는 학문후속세대양성사업을 통해 수행됐으며, 연구결과는 나노과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’온라인판에 게재됐다.

트륨 이차전지는 현재 이차전지 시장의 대부분을 차지하고 있는 리튬 이차전지와 비슷한 원리를 가지고 있으면서도 리튬에 비해 매장량이 풍부해 차세대 이차전지로 불리며 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 전지 특성(전압, 용량, 수명)이 현저하게 떨어진다는 단점을 가지고 있어 상용화를 위해서는 충·방전 사이클 특성이 우수한 고용량 나트륨 이차전지 전극 소재 개발이 요구돼 왔다.

나트륨 이차전지란 전지 사용 후에 재충전해 사용가능한 전지를 말하며, 리튬 이온에 의해 구동되는 전지를 리튬 이차전지, 나트륨 이온에 의해 구동되는 전지를 나트륨 이차전지라고 한다.

또한, 리튬 이차전지는 양극(리튬코발트산화물)과 음극(탄소) 사이에 유기 전해질을 넣어 충전과 방전을 반복하며, 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는 데 유리해 휴대폰, 노트북 등에 많이 사용된다.

연구팀은 흑린과 그래핀(Graphene)을 겹겹이 구성해 나트륨 이온이 반응하기에 적합한 구조를 만들었다. 그 결과 기존의 나트륨 이차전지 음극 소재로 연구되고 있는 탄소류의 Hard carbon에 비해 약 8배 향상된 용량을 가지는 것을 확인했다. 이는 현재 리튬 이차전지에 상용화되고 있는 흑연 음극에 비해서도 약 7~8배 높은 값을 가지는 것이다.

또한, 인시츄(in-situ) 투과전자현미경 방법을 통해 나트륨 이온이 흑린과 반응했을 때의 변화 과정을 실시간으로 관찰함으로써 실질적으로 이차전지 내에서 어떤 반응이 일어나고 있는지를 알 수 있어 과학적으로도 매우 의미 있는 연구 결과다.

전압, 용량, 수명과 관련된 나트륨 이차전지의 단점 가운데 용량을 크게 개선해 매장량이 풍부한 나트륨 이차전지의 상용화에 기여할 수 있다.

이현욱 연구원은 “본 연구는 나트륨 이차전지에 적합한 음극 물질을 개발함으로써 나트륨 이차전지 상용화에 크게 기여할 것으로 기대되며, 다양한 전지 내에서의 실제 반응을 관찰에 고배율 투과전자현미경을 통한 효과적인 방법을 제시한 것에 의미가 있다”라고 밝혔다.