나트륨이차전지 새 음극소재 개발..고용량 전지 한계 극복

KAIST 김도경 교수팀, 게르마늄 황화물 전극 개발
전기화학 구동 원리 밝혀 새로운 접근법 제시

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[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 현재의 리튬이차전지를 대체할 에너지 저장장치의 연구가 활발한 가운데 국내 연구진이 차세대 이차전지로 각광받는 나트륨이차전지의 새로운 음극 소재를 개발, 그간의 고용량 전지 소재의 한계를 극복하는 데 크게 기여한 것으로 평가된다.

이차전지(二secondary cell)란 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 외부의 회로에 전원을 공급하기도 하고 방전됐을 때 외부의 전원을 공급받아 전기적 에너지를 화학적 에너지로 바꾸어 전기를 저장할 수 있는 전지로서, 일반적으로 축전지라고 부른다.

12일 한국연구재단에 따르면 김도경 KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 교수 연구팀은 게르마늄 황화물 전극을 개발해 전기화학적 원리를 규명하는 데 성공했다. 

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 6월 25일자로 게재됐다. 

나트륨이차전지는 원료가 자연에 풍부해 저렴하게 구할 수 있고 안전성이 우수해 빠른 상용화가 기대됐지만 아직까지는 성능에 제약이 있는 것으로 지적됐다. 

기존 리튬이차전지의 음극으로 쓰이는 흑연, 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등을 나트륨이차전지에 적용하면 전기전도도가 낮아 충전‧방전 속도가 느려지거나 부피 팽창으로 인해 장기적 안정성이 부족하다는 것이다. 

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게르마늄 황화물 전극의 구조와 수명 안정성 : 게르마늄 황화물-그래핀 복합체의 미세구조와 수명 특성을 나타낸다. 100회가 넘는 충·방전 횟수에도 전지 용량이 안정적으로 유지된다. [자료=한국연구재단]

이에 연구진은 그래핀에 게르마늄 황화물이 균일하게 분포된 나노 전극을 개발, 전기전도도가 높고 부피팽창도 줄어드는 동시에 이론값을 뛰어넘는 우수한 초기 용량(805mAh/g)과 수명 안정성을 보이는 성과를 거뒀다. 

또 연구진은 게르마늄 황화물 전극의 성능이 우수한 원인은 원자 배열 상태에 의한 것이라는 점을 밝혔다. 

이런 전기화학 구동 원리에 대한 이해는 나트륨이차전지 연구의 새로운 접근법을 제공한다고 연구진은 설명했다. 

김 교수는 "나노전극 소재 합성, 전극 및 이차전지 충‧방전 후 성능 분석 등 기술은 에너지 분야 중추적 기술로서 파급효과가 클 것으로 예상된다"며 "현재 나트륨이차전지 음극 소재의 취약점인 고비용, 대형 전지 제작의 어려움을 돌파하는 기초자료로 활용될 수 있다”고 이번 연구결과의 의미를 전했다.

 

kimys@newspim.com

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