KIST 김상옥 박사팀, 나트륨 이차전지 적용 음극 소재 개발
이황화 몰리브덴 전구체와 실리콘 오일로 단점 극복
200회 충방전에도 용량 그대로 유지
KIST(한국과학기술연구원·원장 윤석진)는 김상옥 에너지저장연구단 박사팀이 리튬이온 배터리보다 저렴한 나트륨이온 이차전지에 적용할 수 있는 음극 소재를 개발했다고 18일 밝혔다.
연구팀이 개발한 음극 소재는 성능은 향상되고 가격이 저렴하다. 또 현재 리튬배터리에 상용화돼 있는 흑연 음극 소재보다 1.5배 많은 전기를 저장할 수 있다. 무엇보다 충·방전을 200회 반복해도 성능 감소가 없는 것으로 확인됐다는 게 연구팀의 설명이다.
나트륨이온 이차전지는 리튬보다 500배 이상 풍부한 지각 보존량을 갖는다. 리튬이온 이차전지보다 40%저렴해 차세대 이차전지로 주목받는다. 하지만 나트륨 이온은 리튬 이온보다 무겁고 커서 현재 리튬이온 전지에 널리 사용되는 흑연과 실리콘 소재에 이온을 안정적으로 저장할 수 없다. 새로운 고용량 음극 소재가 필요하다.
연구팀은 대용량 음극 소재 후보로 주목받는 금속 황화물 이황화 몰리브덴(MoS₂) 소재를 활용했다. 기존 이황화 몰리브덴은 많은 전기를 저장할 수 있지만 전기 저항이 크고 전지가 동작할 때 소재의 구조적 불안정성으로 사용되지 못했다. 연구팀은 저가이면서 친환경 재료인 실리콘 오일을 이용해 세라믹 나노코팅층을 만들어 이를 극복했다. 이황화 몰리브덴 전구체와 실리콘 오일을 섞어 열처리하는 단 한번의 공정을 통해 저항이 작고 안정적인 이황화 몰리브덴 이종복합 소재를 제작했다.
개발된 소재는 전기화학 특성평가 결과, 코팅층이 없는 이황화 몰리브덴 소재보다 2배 이상 많은 전기를 안정적으로 저장(600mAh/g 이상)할 수 있다. 5분 이내의 빠른 충방전을 200회 반복해도 용량을 그대로 유지했다.
연구팀에 의하면 이는 이황화 몰리브덴 소재 표면의 높은 전도성과 강성을 가지는 세라믹 나노-코팅층이 소재의 저항을 낮추고 구조를 안정시켰다. 또 코팅층의 표면에서 추가적인 전기를 저장해 가능했다.
김상옥 박사는 "나노-코팅층 표면 안정화 기술을 통해 이황화 몰리브덴 소재의 문제점이었던 높은 전기 저항과 구조적 불안정성 문제를 효과적으로 해결할 수 있었고 그 결과 안정적으로 많은 전기를 저장할 수 있는 대용량 나트륨 이온전지를 개발할 수 있었다"면서 "저렴하고 친환경적인 재료를 활용하는 이 기술을 통해 전극 소재 생산 공정비용을 낮추면 대용량 전력저장장치용 나트륨 이온전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구는 KIST 주요사업과 한국연구재단 우수신진연구자지원사업으로 수행됐다. 결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 14.588, JCR 분야 상위 5.260%) 최신 호에 게재됐다.
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