나트륨배터리 상용화 성큼…울산과학대 케나프 기반 음극재 개발 성공

유승민 교수, POSTECH 박수진 교수 공동 연구

[울산=뉴시스] 울산과학대 유승민 교수 (사진=울산과학대 제공) photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내 연구진이 친환경 바이오매스 식물인 '케나프(Kenaf)'를 기반으로 한 나트륨 이차전지 하드 카본(Hard Carbon)에 불소를 입히는데 성공했다.

울산과학대학교는 화학공학과 유승민 교수와 포항공과대학교(POSTECH) 박수진 교수 공동연구팀이 식물 '케나프'를 기반으로 한 음극재 개발에 성공해 나트륨 이온 배터리 상용화의 핵심 난제를 해결했다고 6일 밝혔다.

이번 연구 결과는 전하 이동 속도 향상과 수분 안정성 확보를 동시에 달성해 리튬 배터리 대체를 한층 앞당길 것으로 기대된다.

전 세계적으로 전기차와 에너지 저장 장치(ESS) 수요가 폭발적으로 증가하는 가운데 리튬 이온 배터리의 대안으로 나트륨 이온 배터리가 주목받고 있다. 나트륨은 지구상 어디에서나 풍부하게 얻을 수 있어 가격이 저렴하고 수급이 안정적인 반면, 리튬은 희귀 금속으로 가격 변동성과 자원 고갈 문제가 치명적인 단점으로 꼽혀왔다. 그러나 나트륨 이온 배터리의 상용화를 위해서는 음극재 성능 개선이 필수적인 과제로 남아 있었다.

울산과학대 유승민 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 아프리카와 인도가 원산지인 아욱과 1년생 식물 '케나프'에 주목했다. 케나프는 생장 속도가 매우 빨라 열대지역에서 120일 기준 5~8m, 온대지역에서 3~6m까지 성장한다.

특히 이산화탄소 흡수 능력이 뛰어나 우리나라에서 흔히 볼 수 있는 소나무보다 이산화탄소 흡수량이 최대 9배 높은 친환경 식물로 알려져 있다. 케나프를 탄화해 만든 '하드 카본'은 줄기 내 발달한 기공 구조 덕분에 나트륨 이온 저장에 최적화된 특성이 있다.

[울산=뉴시스] 케나프 식물 (뉴시스 DB) *재판매 및 DB 금지

기존의 바이오매스 유래 하드 카본은 나트륨 이온의 이동 속도가 느리고, 공기 중 수분에 취약해 보관 및 제조 공정에서 성능이 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 하드 카본 구조에 불소를 도핑하는 혁신적인 공정을 도입해 이 두 가지 문제를 동시에 해결했다.

불소 도핑은 하드 카본 내부의 전자 구조를 최적화해 나트륨 이온이 더 빠르게 이동할 수 있는 통로를 열어줌으로써 배터리의 출력 향상과 급속 충전 성능으로 이어진다. 또한 불소의 강한 화학적 특성이 하드 카본 표면에 소수성(물과 친하지 않는 성질)을 부여해 습한 환경에서도 구조적 변형 없이 안정적인 성능을 유지할 수 있게 됐다. 이는 실제 양산 공정에서의 취급 용이성을 대폭 높이는 성과다.

울산과학대 유승민 교수는 2021년 교육부 주관 '지역대학 우수과학자 지원사업'에 선정돼 '바이오매스 기반 친환경 이차전지 소재 연구'를 시작했으며, 포스텍 박수진 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이번 성과를 이끌었다.

유 교수는 "이번 연구를 통해 나트륨 이온 배터리의 상용화를 가로막던 전하 이동 속도와 수분 안정성 문제를 동시에 해결했다"며 "저렴하고 친환경적인 나트륨 배터리가 리튬 배터리를 보완하거나 대체할 수 있는 ESS 및 소형 모빌리티 시장에 빠르게 적용될 수 있을 것으로 기대한다"라고 밝혔다.

해당 성과는 재료 과학 분야 세계 권위지인 ACS(Applied Materials & Interfaces) 3월호에 게재됐다.

☞공감언론 뉴시스 gorgeouskoo@newsis.com