나노미터 수준 초미세 '주석 황화물' 전극 소재 개발

김도경 KAIST 교수 "저비용·고성능 차세대 나트륨 이차전지 적용 기대"
나트륨 이차전지용 초미세 주석 황화물 전극 소재의 전기화학 반응 모식도와 전지 구동 그래프.<사진=한국연구재단 제공>나트륨 이차전지용 초미세 주석 황화물 전극 소재의 전기화학 반응 모식도와 전지 구동 그래프.<사진=한국연구재단 제공>

국내 연구팀이 나노미터 수준 초미세 주석 황화물 전극 소재를 개발했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 김도경 KAIST 교수 연구팀이 나트륨 이차전지 음극 소재에 사용할 수 있는 주석 황화물 나노 복합체를 개발했다고 26일 밝혔다.

최근 제한된 자원인 리튬을 대체할 수 있는 새로운 에너지 저장 장치의 필요성이 높아지고 있다. 저렴한 비용에 원료를 쉽게 구할 수 있는 나트륨 이차전지에 많은 관심이 모아지고 있다.

나트륨 이차전지는 나트륨 이온을 사용해 전기화학적 산화·환원 반응으로 충·방전 반복이 가능한 이차전지를 뜻한다. 풍부한 자원, 낮은 생산 단가, 안정성 등의 장점으로 차세대 이차전지로 주목받고 있다.

하지만 흑연이나 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등 리튬 이차전지 음극 소재를 나트륨 이차전지에 적용할 경우 충·방전 시 속도 저하와 부피 팽창 등의 문제가 발생한다.

연구팀은 친환경·저비용 수열합성법을 이용해 주석 황화물과 그래핀 화합물을 합성했다. 이후 탄소화 열처리를 통해 2nm(나노미터) 크기의 주석 황화물 나노 복합체를 개발하는데 성공했다.

탄소화 열처리는 그래핀 산화물 격자 내 탄소 공공을 탄소 함유된 기체를 이용한 열처리를 통해 채우는 과정이다.

연구팀이 개발한 주석 황화물 나노 복합체는 초미세 나노 입자와 탄소로 열처리된 그래핀 산화물의 복합 효과로 인해 전극의 높은 초기 용량(1230mAh/g)과 우수한 속도를 보였다. 충·방전 시 부피 팽창으로 인한 수명 감퇴를 효과적으로 막아주는 안정성을 제공했다.

특히 주석 황화물 나노 복합체를 나트륨 이차전지에 삽입해 구동한 결과 기존 주석 황화물 전극의 이론용량에 준하는 높은 방전용량을 기록하고 고속 충·방전 시에도 높은 용량을 유지하는 우수한 율속 특성을 보였다. 

율속 특성은 충·방전 속도를 높임에 따라 용량 유지율이 좋아지거나 나빠지는 특성이다.

김도경 교수는 "이번 연구 결과는 나트륨 이차전지 음극 소재의 취약점인 안정성, 대형 전지 제조의 어려움 등을 극복하고 나트륨 이차전지 음극 소재를 개발할 수 있는 밑거름을 마련했다"라며 "현재 이차전지 성능을 획기적으로 개선하고 경제성 확보를 통한 실용화도 진행할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 '스몰(Small)'에 지난 11월 24일 자로 게재됐다.
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