KIST, 고성능에 값싼 나트륨 배터리 음극소재 구현..상용화 기대

전기차 차량 원가 30%에 해당하는 배터리 가격을 낮출 수 있는 기반 기술이 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 김상옥 에너지저장연구단 박사팀이 '나트륨이온 이차전지용 음극소재'를 개발했다고 18일 밝혔다.

이 소재는 성능은 향상되고 가격은 저렴한 것이 특징이다. 현재 리튬배터리에 상용화된 흑연 음극 소재보다 1.5배 많은 전기를 저장할 수 있으며 충·방전을 200회 반복해도 성능 감소가 전혀 없다.

금속 황화물-세라믹 복합소재의 용량·수명 특성 평가 결과

나트륨이온 이차전지는 리튬보다 500배 이상 풍부한 지각 보존량을 가진 나트륨을 기반으로 만든다. 리튬이온 이차전지보다 40% 저렴하다. 그러나 나트륨이온은 리튬이온보다 무겁고 커서 리튬이온전지에 쓰이는 흑연과 실리콘 소재에 이온을 안정적으로 저장할 수 없다. 새로운 고용량 음극 소재를 개발해야 한다.

연구진은 이황화 몰리브덴을 활용했다. 그동안은 전기 저항이 크고 전지 동작 시 구조적 불안정 때문에 사용되지 못했다. 실리콘 오일을 이용, 세라믹 나노 코팅층을 만들어 이를 극복했다. 이황화 몰리브덴 전구체(특정 물질이 되기 전 단계 물질)와 실리콘 오일을 섞어 열처리하는 단순 공정으로 저항이 작으면서도 안정적인 이황화 몰리브덴 이종 복합소재를 제작했다.

개발 소재는 코팅층이 없는 이황화 몰리브덴보다 2배 이상 많은 전기를 저장할 수 있다. 5분 이내 빠른 충·방전을 200회 반복해도 용량을 유지했다.

김상옥 KIST 박사는 “나노 코팅층 표면 안정화 기술로 이황화 몰리브덴 소재 문제점이던 높은 전기 저항, 불안정성 문제를 효과적으로 해결할 수 있었고 대용량 나트륨 이온전지를 개발할 수 있었다”며 “저렴하고 친환경적인 재료를 활용하는 이 기술을 통해 전극 소재 생산 공정비용을 낮추면 대용량 전력저장장치용 나트륨 이온전지 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원, KIST 주요사업과 한국연구재단 우수신진연구자지원사업으로 수행됐다. 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 'ACS 나노' 최신 호에 게재됐다.

김영준기자 kyj85@etnews.com