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엄광섭 교수 연구팀, 성능 월등한 나트륨 이온 배터리 개발
관리자
작성일2020.06.16 13:19 조회수193

지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 신소재공학부 엄광섭 교수 연구팀이 초저가 나트륨을 이용한 나트륨 이온 배터리를 리튬 이차전지 수준으로 고용량화 하는데 성공하였다.

현재 가장 널리 활용되는 리튬 이온 배터리의 주 재료인 리튬은 희귀 금속으로 지역적 편중과 가격 변동이 심해 전기자동차나 스마트 그리드와 같은 초대형 에너지 저장 장치에는 적합하지 않다. 따라서 이를 대체할 차세대 배터리 소재에 대한 새로운 재료 연구가 활발히 진행되고 있다.

그 대안으로 주변에서 흔하게 구할 수 있는 나트륨 자원을 활용하는 연구가 진행되고 있으나 나트륨 이온은 리튬 이온에 비해 3배 이상 무겁기 때문에 전기화학 반응에 더 큰 저항을 동반한다. 따라서 상용화를 위해서는 전극을 더욱 두껍게 만들면서도 성능을 유지하는 기술이 필요하다.

또한 일반적으로 나트륨 이온 배터리는 용량, 출력, 수명, 에너지 변환 효율 등의 성능이 리튬 이온 배터리와 비교하면 매우 낮아 이는 상용화의 큰 걸림돌로 작용한다.

연구팀은 많은 에너지를 저장할 수 있지만 저항이 커서 상용화에 어려움이 있던 불화인산바나듐나트륨(Sodium vanadium fluorophosphate, Na3V2(PO4)2F3) 양극재와 주석 인화물(SnPx) 음극재를 사용하는 나트륨 이온 배터리를 개발하여 기존 리튬 이온 배터리와 동일한 무게에 같은 성능을 구현하는데 성공했다.

용액공정을 통해 불화인산바나듐나트륨 양극재의 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 실현하였다.

또한, 특정 화학적 조성비(주석:인 비율)를 갖는 주석 인화물 재료가 충전 및 방전 과정에서 독특한 구조 변화를 일으킴으로써 출력 성능, 수명, 에너지 변환 효율 등이 획기적으로 증가하는 것을 발견했다. 기존 합성 기술로는 이러한 조성비를 조절하며 전극 재료의 성능 향상을 위해 필수적인 나노구조를 구현할 수 없었지만 이번에 개발한 방법을 통해 이를 가능하게 했다.

엄광섭 교수는 새로운 고용량 및 저가의 나트륨 이온 배터리를 개발하는데 있어 기초적인 배터리 설계 방법 및 재료 설계 방법을 확립했을 뿐만 아니라 배터리의 상용화에서 가장 중요한 전극 두께를 증가시킬 수 있는 기술을 확보했다면서, “후속 연구를 통해 여러 형태의 나트륨 이온 배터리를 상용화 한다면 배터리 소재에 대한 해외 의존도를 낮추고 경제성을 확보 할 수 있을 것으로 기대된다고 말했다.

지스트 신소재공학부 엄광섭 교수가 지도하고 송하용 박사과정생이 수행한 이번 연구는 GIST Research Institute(GRI)의 차세대에너지연구소 및 LG화학의 신임교수과제의 지원을 받아 진행되었으며, 연구성과는 첨단 소재 분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’(Advanced Functional Materials)202069일자로 온라인 게재됐다. <>

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[그림 1] Na3V2(PO4)2F3 양극과 SnPx 음극으로 이루어진 나트륨 이온 이차전지의 에너지 저장 용량 비교.

모식도는 집전체, 양극, 분리막, 음극으로 이루어진 배터리의 구성요소를 나타낸다. 전극의 나트륨이온 저장 용량을 단순히 증가시켜서 얻어지는 에너지 저장 용량의 증가 효과는 미약하지만, 전극의 나트륨이온 저장 용량을 증가시키며 전극의 면적당 무게 (, 두께)를 기존의 나트륨 배터리 연구에서 일반적으로 사용해왔던 ~ 3 mg cm-2에서 5배 이상 증가시킬 수 있으면 현재보다 2배 이상 높은, 즉 리튬 이온 배터리의 에너지 저장 용량에 필적하는 나트륨 이온 배터리를 개발할 수 있다. 일반적으로 기존 연구에서 보고하는 연구 결과는 왼쪽 두 개의 모식도와 같이, 얇은 전극을 사용하고, 상용화되는 배터리는 오른쪽 그림과 같이 두꺼운 전극을 사용한다. 이는 전극의 두께와 상관없이 집전체나 분리막 등의 사용량은 동일하기 때문에 전극이 두꺼워질수록 배터리 구성에 필요하지만 에너지 저장 용량에는 기여하지 않는 무게를 줄일 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 오른쪽과 같이 두께를 5배 이상 증가시켜도 에너지는 비율대로 증가하고 성능의 감소는 최소화할 수 있는 기술을 개발하여 초고용량 나트륨 이온 배터리를 구현하는 것을 가능하게 하였다. 또한, 개발 나트륨 이온 풀셀 배터리는 소형 코인셀 형태로도 3VLED 100여개를 켜는데 문제가 없었다 (왼쪽 아래 이미지)

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