우리원 김성주 연구위원(나노물질 및 화학반응 연구단, 단장 유룡)이 참여한 연구진이 저렴하면서도 수명이 긴 이온 전지용 음극 소재를 개발했다. 연구진이 개발한 나트륨 이온 전지 음극 소재는 기존의 이차전지 음극재료에 비해 40% 저렴하고 1.5배 수명이 길다.

리튬 이온 전지는 휴대폰, 전기차 등 우리 일상생활과 밀접하고 다양한 곳에 사용되고 있다. 리튬은 상대적으로 희귀한 원료다. 지구 지표면에 0.005%만 존재하며 매장 지역도 한정되어 있다. 리튬 이온 전지가 다방면에 활용되면서 수요가 급등하고 있지만 공급량은 턱없이 부족한 상황이다. 리튬의 가격 역시 2015년 대비 3배 이상 상승했다.

▲ 나트륨 이온 전지의 음극 소재로 쓰인 황화구리
(사진제공 KAIST)

리튬 이온 전지의 대안으로 주목받는 것이 바로 나트륨 이온 전지다. 나트륨은 지구 지표면에 2.6% 존재한다. 리튬의 약 500배 이상이다. 자연스레 공급문제도 해결될 것으로 보인다. 가격을 비교하면 리튬 이온 전지에 비해 약 40% 저렴한 가격으로 같은 용량의 에너지를 저장할 수 있을 것으로 예측된다.

나트륨을 이온 전지로 활용하기 위해서는 해결해야 할 문제가 있다. 리튬 이온 전지의 음극 재료인 흑연이 나트륨을 저장하기에는 적합하지 않기 때문이다. 리튬의 경우, 음극 재료인 흑연 간 층 사이에 껴 들어가 저장이 가능하다. 하지만 나트륨 이온이 흑연 층 사이로 삽입되기엔 층간 거리가 너무 좁다. 이러한 이유로 나트륨 이온 전지 상용화를 위해서는 이에 적합한 음극 소재 개발이 필요하다.

연구진은 흑연의 대안을 황화구리에서 찾았다. 나노판상 구조를 가진 황화구리는 높은 전기전도도와 이론용량(이론상 가능한 최대용량)을 갖는다. 연구진은 황화구리에 나트륨이 저장되는 과정을 원자단위에서 실시한 분석한 결과, 황화구리의 결정 구조가 유동적으로 변화하며 안정적으로 나트륨 이온을 저장하는 것을 확인했다. 황화구리의 나트륨 저장 성능은 흑연 이론용량(~370mAh/g)의 1.5배(~560mAh/g)에 달했으며, 충·방전을 250회 반복한 이후에도 이론용량의 90% 이상이 유지되었다.

▲ 황화구리 내 나트륨이온이 저장되면서 나타나는 결정 구조의 변화 모습(출처 KAIST)

나트륨 이온전지가 상용화되면 지구 표면의 약 70%를 차지하는 바다에 무궁무진하게 존재하는 나트륨을 활용할 수 있다. 원료의 풍부함은 배터리 원가 절감으로 이어지고 휴대폰, 전기자동차, 노트북 등의 단가도 약 30% 정도 낮출 수 있다. 이정용 KAIST 명예교수(前 나노물질 및 화학반응 연구단)는 “이번 연구 결과가 차세대 고성능 나트륨 이온 전지 개발에 크게 기여할 것”으로 전망했다. 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.124)에 3월 2일 게재됐다.

▲ 김성주 연구위원(맨 왼쪽)이 참여한 연구진이 지난 3월 2일 네이처 커뮤니케이션즈에 나트륨 기반의 이차전지 음극 소재를 개발해 연구결과를 게재했다. 이번 연구는 한국연구재단의 생애첫연구사업 및 나노,소재기술개발사업과 IBS의 지원을 받아 수행됐다. 왼쪽부터 김성주 IBS 연구위원, 서현국, 박재열, 장준하 KAIST 박사과정, 이정용 KAIST 교수, 육종민 KAIST 교수(사진제공 KAIST)

IBS 커뮤니케이션팀
고은경