대형 전지 제조 어려움 nm크기의 주석 황화물 전극으로 뚫는다

100회가 넘는 충·방전 횟수에도 전지의 용량이 안정적으로 유지되는 모습을 보여주는 전지의 구동결과 그레프.

김도경 한국과학기술원 교수

국내 연구진이 ㎚ 크기의 초미세 주석 황화물 전극 소재를 개발했다.

이는 나트륨 이차전지의 음극 소재를 개발할 수 있는 초석으로, 앞으로 안전성과 대형 전지 제조의 어려움을 극복할 것으로 기대된다.

한국연구재단은 김도경 한국과학기술원(KAIST) 교수 연구팀이 나트륨 이차전지의 음극 소재에 사용할 수 있는 주석 황화물 나노 복합체를 개발했다고 26일 밝혔다.

나트륨 이차전지는 나트륨 이온을 사용해 전기화학적 산화·환원 반응으로 충·방전 반복이 가능하고, 낮은 생산단가와 안전성이 높다.

이같은 장점에도 불구하고, 종전까지는 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등 리튬 이차전지 음극 소재를 나트륨 이차전지에 적용하면 충·방전 시 속도가 저하됐다. 또 부피가 팽창하는 문제점이 발생했다. 때문에 나트륨 이차전지에 적합한 음극 소재 개발이 절실한 상황이었다.

이에 연구팀은 친환경·저비용의 수열합성법을 이용, 주석 황화물·그래핀 화합물을 합성하고, 탄소화 열처리를 통해 2㎚ 크기의 주석 황화물 나노 복합체를 개발했다.

연구팀이 개발한 주석 황화물 나노 복합체는 초미세 나노 입자와 탄소로 열처리된 그래핀 산화물의 복합 효과로 인해 전극의 높은 초기 용량(1230mAh/g)과 높은 속도를 나타냈다.

또 충·방전 시 부피 팽창으로 인한 수명 감퇴를 효과적으로 막아주는 안정성도 돋보였다.

연구팀은 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.

이같은 연구결과는 현재의 이차전지 성능을 획기적으로 개선해 경제성을 확보했으며, 실용화를 진행할 수 있을 것으로 기대된다.

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"며 "현재의 이차전지 성능을 획기적으로 개선하고 경제성 확보를 통한 실용화도 진행할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
방원기 기자 bang@