개발된 나트륨이온배터리의 용량·수명 특성 평가 결과.
200회 충????방전 후에도 흑연을 이용한 배터리보다 1.5배 용량을 유지하는 모습/KIST 제공

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 김상옥 박사팀이 전기자동차에 주로 사용되고 있는 리튬이온전지보다 저렴해 대안으로 주목받고 있는 나트륨이온배터리의 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술을 통해 전극 소재 생산 공정비용을 낮추면 대용량 전력저장장치용 나트륨 이온전지의 상용화를 앞당길 것으로 전망된다.
비싼 배터리 때문에 보급이 더딘 전기자동차 확대에도 역할을 할 것으로 보인다.
바닷물에 풍부한 나트륨을 활용한 나트륨이온전지는 리튬이온전지를 대체할 저가형 차세대 전지로 주목받고 있다.
현재 나트륨이온전지는 리튬이온전지보다 40% 가까이 저렴하다.
다만 나트륨 원자가 무겁고 크기 때문에 리튬이온전지 음극소재인 흑연과 실리콘을 사용할 수 없다는 점이다.
연구팀은 최근 대용량 음극 소재 후보로 주목받고 있는 금속 황화물 소재인 이황화몰리브덴(MoS2) 소재를 활용했다.
이황화몰리브덴은 많은 전기를 저장할 수 있지만, 전기 저항이 크고 전지가 동작할 때 발생하는 소재의 구조적인 불안정성 때문에 사용되지 못했다.
연구팀은 저가이면서 친환경 재료인 실리콘 오일을 이용해 세라믹 나노코팅층을 만들어 이를 극복했다.
이황화몰리브덴이 되기 전 물질과 실리콘 오일을 섞어 열처리했다.
한 번의 단순한 공정으로 저항이 작으면서도 안정적인 이황화몰리브덴 이종복합소재를 만들었다.
이황화몰리브덴에 세라믹을 코팅해 이차전지의 음극을 만들어 성능을 테스트했다.
그 결과 세라믹을 코팅하지 않은 이황화몰리브덴보다 2배 많은 전기를 저장했다.
이번에 개발한 음극 소재가 1g당 600㎃h 이상의 전기를 저장한 것이다.
여기에 이황화몰리브덴 소재 표면의 높은 전도성과 강성을 가지는 세라믹 나노-코팅층이 소재의 저항을 낮추고 구조를 안정시켰다.
코팅층의 표면에서 추가적인 전기도 저장해 냈다.

금속 황화물 소재(좌)와 우수한 전기화학적 특성을 보여주는 금속 황화물을 세라믹으로 코팅한 촉매의 모습(우)/KIST 제공

김상옥 박사는 “나노-코팅층 표면 안정화 기술을 통해 이황화 몰리브덴 소재의 문제점이었던 높은 전기 저항과 구조적 불안정성 문제를 효과적으로 해결할 수 있었다”며 “이런 결과로 안정적으로 많은 전기를 저장할 수 있는 대용량 나트륨 이온전지를 개발할 수 있었다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 미국화학회에서 발행하는 나노분야 국제학술지 ‘ACS 나노’ 최신호에 게재됐다./

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