지스트 연구팀, 리튬이온배터리와 성능 비슷한 나트륨 양극재 배터리 개발광주과학기술원(지스트) 연구팀이 현재 사용중인 리튬이온배터리와 비슷한 성능을 발휘하면서 무게도 비슷한 나트륨이온배터리 기술을 개발하는 데 성공했다. 지스트 제공현재 스마트폰부터 전기자동차까지 널리 쓰이는 리튬이온배터리를 대체할 미래 배터리 후보 중 하나로 리튬 대신 나트륨을 음극재로 활용하는 ‘나트륨(소듐)이온배터리’가 있다. 나트륨이온배터리는 리튬이온배터리에 비해 아직 저장 용량이 작다는 게 단점이었는데, 국내 연구팀이 저장 용량을 크게 늘린 나트륨이온배터리를 개발하는 데 성공했다.

광주과학기술원(지스트)은 엄광섭 신소재공학부 교수와 송하용 연구원팀이 기존의 리튬이온배터리와 비슷한 무게에 같은 성능을 갖는 나트륨이온배터리를 개발하는 데 성공했다고 16일 밝혔다.

리튬이온배터리는 리튬을 양극재로 사용하는 배터리다. 폭발성이 강하다는 단점이 있지만, 리튬이 전자를 쉽게 내놓아 양이온이 잘 되는 성질이 있어 전기에너지 변환 능력이 좋다. 높은 전압의 배터리를 만들 수 있고, 이온이 가벼워 이동속도가 빠르며 용량도 크게 만들 수 있다. 하지만 리튬 자체가 희귀하고 비싸며, 니켈과 망간, 코발트를 사용해야 해 자원이 한정적이라는 단점이 있어 차세대 배터리 연구가 활발하다.

나트륨은 주기율표에서 리튬 바로 아래에 위치한 원소로, 그 아래에 위치한 칼륨(포타슘)과 함께 대표적인 차세대 배터리 양극재 후보물질이다. 특히 나트륨은 소금을 구성하는 원소로 리튬보다 지구상에 500배 풍부하고 값이 싸다. 하지만 전압이 리튬 이온에 비해 낮다는 점과, 무게가 3배 무거워 이온 이동 속도가 느리고 전기 저항이 크며 용량이 작다는 단점이 있다. 리튬에 비해 거대한 나트륨 이온이 전극 구조 내부를 드나들며 구조를 망가뜨려 수명을 단축시키는 점도 문제였다. 특히 저장 용량을 늘리려면 전극 두께를 늘려야 하는데, 이 경우 저항이 늘고 수명이 단축된다는 점이 ‘난제’로 꼽혀 왔다.

엄 교수팀은 이런 문제를 해결하기 위해 불화인산바나듐나트륨을 양극재로 쓰고 주석인화물을 음극재로 사용하는 새로운 나트륨이온배터리를 개발했다. 먼저 용액 공정을 개선해 불화인산바나듐나트륨 양극재를 수백 nm(나노미터, 1nm는 10억 분의 1m) 크기로 제어했다. 그 뒤 전기를 잘 통하는 특성을 지닌 탄소 신소재인 그래핀 표면에 균일하게 입혀 기존보다 전극 두께를 5~10배 늘리면서도 성능 저하는 없는 새로운 양극을 만드는 데 성공했다. 여기에 음극재 속 주석과 인의 비율을 최적의 비율(1:1)로 조절해 에너지 변환 효율을 높이고 수명도 늘린 새로운 음극재를 완성했다.

연구팀은 논문에서 “이들을 조합한 결과 1kg에 280Wh(와트시)의 전기를 저장하는 에너지 밀도를 지니고 에너지 효율은 78%인 나트륨이온배터리를 만드는 데 성공했다”며 “이는 현재 사용되는 리튬이온배터리와 성능을 견줄 만한 수준”이라고 밝혔다.

엄 교수는 “용량이 크면서 저렴한 나트륨이온배터리를 개발하기 위한 기초적인 배터리 설계 방법과 재료 설계 방법을 확립했다”며 “특히 배터리 상용화에 가장 중요한 전극 두께를 증가시킬 수 있는 기술을 확보했다는 게 의의”라고 말했다.

연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스’ 9일자에 발표됐다.

[윤신영 기자 ashilla@donga.com]

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