"초저가에 성능 월등" 광주과기원, 나트륨 이온 배터리 개발

나트륨 이온 배터리 개발 성공한 엄광섭 광주과기원 신소재공학부 교수(왼쪽)와 송하용 박사과정생.(지스트 제공)2020.6.16 /뉴스1 © News1

(광주=뉴스1) 박준배 기자 = 광주과학기술원(지스트) 연구팀이 초저가 나트륨을 이용한 '나트륨 이온 배터리'를 리튬 이차전지 수준으로 고용량화하는데 성공했다.

16일 지스트에 따르면 엄광섭 신소재공학부 교수 연구팀은 나트륨 이온 배터리를 개발해 기존 리듐 이온 배터리와 동일한 무게에 같은 성능을 구현하는 데 성공했다.

리튬 이온 배터리는 가장 널리 활용되지만, 주 재료인 리튬이 희귀금속이라 지역적 편중과 가격 변동이 심해 전기자동차나 스마트 그리드와 같은 초대형 에너지 저장장치에는 적합하지 않았다.

그 대안으로 주변에서 흔하게 구할 수 있는 나트륨 자원을 활용하는 연구를 진행해왔다. 그러나 나트륨 이온은 리튬 이온보다 3배 이상 무거워 전기화학 반응에 저항이 컸다.

엄 교수팀은 많은 에너지를 저장할 수 있으나 저항이 커 상용화에 어려움을 겪던 '불화인산바나듐나트륨'(Sodium vanadium fluorophosphate) 양극재와 주석 인화물(SnPx) 음극재를 사용하는 나트륨 이온 배터리를 개발했다.

용액공정을 통해 불화인산바나듐나트륨 양극재 크기를 수백 나노미터로 제어하는 동시에 높은 전도성을 갖는 그래핀 표면에 균일하게 분포시켜 기존 연구단계에서 사용하던 전극의 두께보다 5~10배 높은 두께에서도 성능저하가 거의 없는 양극을 실현했다.

특정 화학적 조성비(주석:인 비율)를 갖는 주석 인화물 재료가 충전과 방전 과정에서 독특한 구조 변화를 일으킴으로써 출력 성능, 수명, 에너지 변환 효율 등이 획기적으로 증가하는 것을 발견했다.

기존 합성 기술로는 조성비를 조절하며 전극 재료의 성능 향상을 위해 필수적인 나노구조를 구현할 수 없었지만 이번에 개발한 방법을 통해 이를 가능하게 했다.

엄광섭 교수는 "새로운 고용량·저가의 나트륨 이온 배터리를 개발하는데 있어 기초적인 배터리 설계 방법과 재료 설계 방법을 확립했다"며 "배터리의 상용화에서 가장 중요한 전극 두께를 증가시킬 수 있는 기술을 확보했다"고 밝혔다.

엄 교수는 "후속 연구를 통해 여러 형태의 나트륨 이온 배터리를 상용화하면 배터리 소재에 대한 해외 의존도를 낮추고 경제성을 확보 할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 GIST Research Institute(GRI)의 차세대에너지연구소와 LG화학의 신임교수과제 지원을 받아 엄 교수가 지도하고 송하용 박사과정생이 수행했다.

연구성과는 첨단 소재 분야의 세계적인 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'(Advanced Functional Materials)에 9일자로 온라인 게재됐다.

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