리튬 ESS 대체할 나트륨 ESS 상용화 가속도 기대

유니스트 에너지화학공학과 이현욱 교수팀
나트륨 이온 배터리 수명 늘리는 방법 찾아내 
화학반응 속도 높여 망간계 양극재 미세구조 변형 해결 
리튬 이온보다 가격 저렴해 대형에너지 저장장치 활용
UNIST·PAL·난양공대팀 공동 연구
 

그림1. 전극 내의 반응속도에 따른 망간 기반 프러시안 물질의 구조 변화 (a) 망간 기반 프러시안 물질의 얀-텔러 효과와 전자 재배치 현상 모식도. 반응 속도가 느리면 얀-텔러 효과 때문에 결정의 미세구조가 찌그러진다(좌측). 반면 반응속도가 빠르면 전하 재배치 현상이 나타나 결정 구조가 확장된 형태다.(우측) (b) 전극, 계면(전극과 전해질이 맞닿는 지점), 전해질의 속에서 고려해야 할 화학적 반응속도. (C) 반응 속도 별 전극 내의 전하 분포 거동. 전지의 반응 속도에 따라 얀-텔러 효과와 전자 재배치 발생 정도를 표현하였다. 상단 그래프에서 반응속도(x축)가 빨라질수록 얀 텔러 효과 보다(주황선) 전하 재배치 효과(녹색선)가 더 잘 나타남을 알 수 있다.

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 유니스트(UNIST) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 나트륨 이온 전지의 사용 시간을 늘리는 데 치명적인 걸림돌이었던 미세구조 뒤틀림 현상인 '얀-텔러 효과'를 억제하는 데 성공했다고 27일 밝혔다. 나트륨 이온전지는 기존 배터리의 리튬 성분을 값싸고 풍부한 나트륨으로 대체한 차세대 전지다. 이번 연구로 나트륨 이온전지를 이용한 대형 에너지 저장장치 분야(ESS) 상용화에도 가속도가 붙을 전망이다.

나트륨 이온 전지의 양극으로 적합한 망간계 소재(망간이 포함된 프러시안블루 구조 소재)는 미세구조의 뒤틀림이 심하다고 알려져 있다. 연구팀은 이 배터리 양극 소재 내부의 화학반응 속도를 조절하는 새로운 방법으로 미세구조 변형을 억제하는 데 성공했다.

수용성 고농도 전해질을 사용해 미세 뒤틀림 현상을 효과적으로 억제함으로써 배터리 용량 감소 현상이 줄고 수명은 늘었다. 수용성 고농도 전해질을 쓰면 유기 저농도 전해질을 쓸 때보다 화학반응 속도가 빨라지는 점을 활용했다.

연구팀은 이 같은 성능 향상이 빠른 반응속도 때문에 발생한 전하 재배치(Charge redistribution) 현상이 덕분이라고 설명했다.

그림2. 반응 속도가 다른 두 종류의 전해질을 사용한 전지의 수명 특성. (a) 유기 저농도 전해질(1m SIC)과 수계 고농도 전해질(20m WIS)를 사용한 전지의 수명 특성에 대한 그림. (b) 반응 속도가 다른 두 전해질의 싸이클 별 충전-방전 전압 그래프. (c) 얀-텔러 효과가 일어나는 것과 전자 재배치 현상이 일어나는 정도에 따라 전지의 용량이 달라지는 경향성을 나타낸 그래프.

이현욱 교수는 “이번 연구로 반응 속도를 높이는 전해질 개발과 같은 새로운 나트륨 이온전지 안정화 연구의 방향성을 제시했다”며 “기존에는 망간 기반 양극 소재 자체의 화합물 조성을 바꾸려는 시도만 있었다”고 설명했다.

이 교수는 이어 “망간 기반 양극 소재는 대용량 소재로 주목 받고 있는 만큼 이번 연구는 다른 고성능 이차 전지를 개발하는 데도 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이 연구는 UNIST 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진연구사업, 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원으로 수행됐다.

포항가속기연구소(PAL) 정영화 박사와 싱가포르 난양공대 이석우 교수 연구팀이 공동연구에 참여했으며, 앞서 기능성 소재분야 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈(Advanced Functional Materials)에 공개됐다.