[뉴스웍스=문병도기자] 육종민 KAIST 신소재공학과 교수와 이정용 명예교수가 나트륨 기반 이온 전지용 음극 소재를 개발했다.

기존의 리튬기반 이차전지 음극재료 대비 1.5배 수명이 길고 약 40% 저렴해 나트륨 이온 전지의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

박재열 KAIST 박사과정과 김성주 기초과학연구원 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 2일자 온라인 판에 게재됐다.

리튬 이온 전지는 휴대폰, 전기차 등  일상생활 곳곳에서 사용되고 있다. 그런데 리튬은 매장지역이 한정돼 있고 수요가 급등해 공급량이 부족한 상황이다. 2015년과 대비해 현재 리튬의 가격은 3배 이상 상승했다. 나트륨 이온 전지가 그 대안으로 주목받고 있다. 리튬이 지구 지표면에 0.005%만 존재하는 반면 나트륨은 그 500배 이상인 2.6% 존재하기 때문에 공급 문제가 해결된다.

하지만 리튬 이온 전지의 음극 재료인 흑연은 나트륨의 저장에 적합하지 않다. 흑연 간의 층 사이에 리튬 이온들이 삽입(intercalation)되며 저장이 이뤄지는데 나트륨 이온을 저장하기에는 흑연 층 사이의 거리가 너무 좁기 때문이다.

연구팀은 나노판상 구조를 가진 황화구리에서 대안을 찾았다. 황화구리에 나트륨이 저장되는 과정을 원자단위에서 실시간 분석한 결과 황화구리의 결정 구조가 유동적으로 변화하며 안정적으로 나트륨 이온을 저장하는 것을 확인했다.

황화구리의 나트륨 저장 성능이 흑연 이론용량의 1.5배(~560mAh/g)에 달하는 것을 확인했고 충, 방전을 250회 반복한 이후에도 이론용량의 90% 이상이 유지됨을 증명했다.

나트륨 이온전지가 상용화되면 배터리 원가 절감으로 이어져 휴대폰, 전기 자동차, 노트북 등의 단가를 약 30% 정도 낮출 수 있을 것으로 기대된다.  

이정용 교수는“이번 연구결과가 차세대 고성능 나트륨 이온 전지 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 생애첫연구사업 및 나노, 소재기술개발사업과 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다.