나트륨이온 전지 저장용량을 높였다

KIST 김상옥 박사팀, 새로운 음극 소재 개발

금속 황화물 소재는 나트륨 이온과 반응해 큰 부피 변화, 황 용출, 상 변이 등의 문제로 제한적이다. 금속 황화물을 세라믹으로 코팅한 촉매는 금속 황화물 소재의 문제점을 해결하고 우수한 전기화학적 특성을 보여준다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 리튬이온 전지보다 저렴한 나트륨이온 전지의 음극 소재를 만들었다. 연구진은 이 기술을 통해 전극 소재 생산 공정비용을 낮추면 대용량 전력저장장치용 나트륨 이온전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것이라고 전망했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단 김상옥 박사팀이 나트륨이온 전지의 성능을 높이면서도 가격은 저렴한 음극 소재를 개발했다고 18일 밝혔다.

연구진은 이황화몰리브덴에 세라믹을 코팅해 이차전지의 음극을 만들어 성능을 테스트했다. 그결과 세라믹을 코팅하지 않은 이황화몰리브덴보다 2배 많은 전기를 저장했다. 이번에 개발한 음극 소재가 1g당 600㎃h 이상의 전기를 저장한 것이다.

또한 이황화 몰리브덴 소재 표면의 높은 전도성과 강성을 가지는 세라믹 나노-코팅층이 소재의 저항을 낮추고 구조를 안정시켰을 뿐만 아니라 코팅층의 표면에서 추가적인 전기를 저장해 냈다.

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"고 말했다.

KIST 연구진이 개발한 금속 황화물-세라믹 복합소재의 전기화학적 성능을 평가한 결과 200회 충방전 후에도 흑연 이론 용량보다 1.5배 많은 g당 600mAh 이상 용량을 유지했다. KIST 제공

연구진은 나트륨 이온 전지의 음극에 이황화 몰리브덴을 활용했다. 이황화 몰리브덴은 많은 전기를 저장할 수 있지만, 전기 저항이 크고 전지가 동작할 때 발생하는 소재의 구조적인 불안정성 때문에 사용되지 못했다.

반면 연구진은 저가이면서 친환경 재료인 실리콘 오일을 이용해 세라믹 나노코팅층을 만들어 이를 극복했다. 이황화 몰리브덴이 되기 전 물질과 실리콘 오일을 섞어 열처리했다.

단 한번의 단순한 공정으로 저항이 작으면서도 안정적 이황화 몰리브덴 이종복합소재를 만들었다.

이러한 우수한 성능은 이황화 몰리브덴 소재 표면의 높은 전도성에 강성을 가지는 세라믹 나노-코팅층이 소재의 저항을 낮추고 구조를 안정시켰을 뿐만 아니라 코팅층의 표면에서 추가적인 전기를 저장할 수 있었다.

이번 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 'ACS 나노' 최신호에 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자