국내 연구진이 리튬이온전지를 대체할 차세대 나트륨 전지의 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 음극재 기술을 개발했다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 서울서부센터 조지웅 박사 연구팀이 고려대 신소재공학과 김영근·강용묵 교수 연구팀과 공동으로 수산화철에 기능성 유기물인 아세테이트 분자가 결합된 유·무기 하이브리드 전극 소재를 이용해 충전과 방전 용량을 2배 이상 높이고 효율도 30% 이상 개선시키는 기술을 개발했다고 오늘 밝혔다.

KBSI에 따르면 수산화철은 차세대 나트륨 전지에서 나트륨 이온을 고용량으로 저장·방출할 수 있는 전극 소재이다.

그러나 수산화철은 원자 반경이 큰 나트륨 이온의 특성상 화학반응과 전환반응 과정에서 수반되는 철이온의 급격한 산화수 변화와 결정구조의 불안정이 존재해 기술적 한계가 있었다.



수산화철-아세테이트 하이브리드 전극의 층상구조와 반응메카니즘 모사도.

연구진은 이러한 불완전한 반응의 한계를 극복하기 위해 수산화철-아세테이트 혼합 하이브리드 전극 구조를 개발하고 자연 상태에서의 생물학적인 철의 산화-환원 반응을 모사했다.

이를 통해 전환반응 과정에서 발생하는 철 이온의 급격한 산화수 변화를 제어하고 안정적인 화학 반응을 유도해 나트륨 이온과의 전기화학 반응을 가역적으로 만드는 데 성공했다.

공동연구팀은 수산화철과 아세테이트 성분을 층상구조 방식으로 결합해 순수한 수산화철을 전극 소재로 사용했을 때에 비해 충방전 효율을 30% 이상, 용량은 100% 이상 증가시키는 등 나트륨 전지의 성능을 최고 수준으로 끌어올렸다.

KBSI는 이러한 전극 구조의 폭넓은 활용을 통해 상용화가 가능한 수준의 고용량, 저비용 차세대 나트륨 전지 개발은 물론 현재 상용화 중인 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 고용량, 고안정성 전극소재 개발도 가능할 것으로 기대된다고 강조했다.



공동연구진 사진.(사진=KBSI 제공)

이번 연구결과는 재료과학분야 세계적 권위 학술지인 Journal of Materials Chemistry A [논문명 : Bioinspired redox-coupled conversion reaction in FeOOH-acetate hybrid nanoplatelets for Na ion battery, IF: 14.511, 조지웅(공동제1저자), 고려대 박범철(공동제1저자), 고려대 강용묵(공동교신저자), 고려대 김영근(공동교신저자)]에 지난 달 게재됐다.