고려대 유승호 교수팀, ‘차세대 나트륨 이차전지 양극 소재’ 개발

리튬 이온 도핑을 통한 성능 향상, 국제 학술지 Energy Storage Materials 실려

▲ 교신저자 고려대 화공생명공학과 유승호 교수(좌측), 제1저자 박성준 석박사통합과정 (사진=고려대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 고려대학교(총장 정진택) 공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자: 박성준 석박통합과정 1년차)이 나트륨 이온 이차전지 양극 소재에 소량의 리튬 이온을 도핑하는 전략으로 기존에 보고된 소재보다 용량과 안정성 그리고 속도성능이 모두 향상된 양극재를 개발했고, 성능이 향상된 구조적인 원인 규명에 성공했다.

리튬은 지각 내 매장량이 적고, 가격이 점점 증가하고 있기에 현재 상용화된 리튬 이온 전지의 수요를 충족시키기 위한 대체재의 필요성이 부각됐는데, 나트륨 이온 전지가 주목을 받게 됐다. 나트륨은 매장량도 풍부하고, 가격도 저렴하기 때문이다. 그러나 나트륨 이온 전지는 리튬 이온 전지보다 용량과 에너지 밀도가 낮다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 전략으로 음이온 산화환원 반응에 관한 많은 선행 연구들이 진행되어왔다.

나트륨 이온 이차전지 양극재는 나트륨, 전이 금속, 산소가 결합된 층상구조를 이루고 있다. 여기서 전이 금속은 전지의 충/방전 과정에서 산화환원 중심체의 역할을 하고, 이를 양이온 산화환원 반응이라 부른다. 산화환원 반응의 양이 많을수록 이차전지의 에너지 밀도가 높아진다. 그런데, 전이 금속뿐만 아니라 산소도 산화환원 반응에 참여할 수 있다는 것이 알려졌고, 이를 음이온 산화환원 반응이라 부른다. 이 반응을 추가로 활용하면 산화환원 반응의 총량이 증가하기 때문에, 월등히 높은 전극 용량, 셀 측면에서 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 그러나 음이온 산화환원 반응의 낮은 가역성으로 인해 전지 수명 저하를 유발하고, 그 외에도 속도 저하라는 해결해야 할 과제들이 존재한다.

▲ 리튬을 도핑했을 때 양극소재에 나타나는 구조변화를 나타내는 모식도와 리튬 도핑된 전극의 용량 및 속도특성 향상된 그래프 (자료=고려대)

유승호 교수 연구팀은 나트륨 이온 이차전지의 전이 금속층에 소량의 리튬을 도핑하여 구조안정성을 높이고 나트륨 이온의 확산 속도를 높이는 효과를 유도했고, 이를 통해 용량과 수명 그리고 속도성능이 모두 증가한 차세대 나트륨 이온 이차전지 양극 소재 개발에 성공했다. 또한, 이처럼 성능이 향상된 구조적인 이유에 대한 전기화학적 분석을 제시하여 이해도를 높였다. 이번 연구는 경희대 김두호 교수 연구팀과 공동연구로 이뤄졌으며, 연구 성과는 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈(Energy Storage Materials)’ (IF=17.8)에 7월 18일(현지시간 기준) 게재됐다.

유승호 고려대 교수는 "이번 연구에서 제시된 리튬 이온 도핑 전략은 낮은 에너지 밀도가 문제점이었던 나트륨 이온 이차전지의 활용 가능성을 보여주었고, 향상된 성능과 음이온 산화환원 반응 활용에 대한 구조적 원인 규명이 뒷받침되었기 때문에 나트륨 이온 전지 양극재 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다.