KIST 김상옥 박사팀, 나트륨 이차전지 적용 음극 소재 개발
이황화 몰리브덴 전구체와 실리콘 오일로 단점 극복
200회 충방전에도 용량 그대로 유지

금속 황화물-세라믹 복합소재 합성 과정 요약. 고분자 오일에 금속 황화물 전구체를 분산시킨 후, 단 한 번의 열처리 공정을 거치면 금속 황화물-세라믹 이종복합소재가 형성됐다.[사진= KIST]
금속 황화물-세라믹 복합소재 합성 과정 요약. 고분자 오일에 금속 황화물 전구체를 분산시킨 후, 단 한 번의 열처리 공정을 거치면 금속 황화물-세라믹 이종복합소재가 형성됐다.[사진= KIST]
전기자동차 수요가 빠르게 증가하고 있다. 하지만 가격 등의 문제로 소비자들이 선뜻 접근하지 못하고 있는 것도 현실이다. 전기차 가격은 배터리가 차량 원가의 30%를 차지한다. 때문에 전기차 시대 앞당기기 위해 배터리 가격이 낮아져야 한다. 이런 가운데 국내 연구진이 저렴하고 간단한 공정으로 배터리 제조 단가를 낮출 수 있는 소재를 개발하면서 전기차 가격도 낮아질 것으로 기대된다.

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.

제조된 금속 황화물-세라믹 복합소재의 전기화학적 성능평가를 통한 용량·수명 특성 평가 결과.[사진= KIST]
제조된 금속 황화물-세라믹 복합소재의 전기화학적 성능평가를 통한 용량·수명 특성 평가 결과.[사진= KIST]

 
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