금오공대 연구팀 '주석 기반 나노복합체 음극 소재' 개발

재료공학부 박철민 교수팀

[구미=뉴시스] 박홍식 기자 = 국립 금오공과대학교는 박철민 교수(재료공학부 신소재공학전공) 연구팀이 고에너지·고출력 나트륨(소듐) 이온전지에 적용할 수 있는 '주석(Sn) 기반 나노복합체 음극 소재'를 개발했다고 3일 밝혔다.

나트륨 이온전지는 매장량이 풍부하고 가격 경쟁력이 높은 장점이 있다.

그러나 나트륨이온은 리튬이온보다 크고 무거워 전극 반응 속도가 상대적으로 느리다.

충·방전 과정에서 큰 구조 변화가 발생해 전극의 장기 안정성을 확보하기 어렵다는 한계가 있다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 주석(Sn)에 주목했다.

주석은 높은 이론 용량과 낮은 작동 전위, 우수한 전자전도도를 지닌 유망한 합금계 음극 소재다.

하지만 나트륨 저장 과정에서 큰 부피 변화와 결정립 응집이 발생해 전극 구조가 쉽게 불안정해진다.

또한 충·방전 과정에서 배터리 성능 저하가 시작되는 다양한 중간상이 형성돼 주석 음극 성능을 향상시키기 위해서는 나트륨 저장 반응 메커니즘을 명확히 규명하는 것이 중요하다.

연구팀은 방사광가속기를 활용한 ‘주석 K-edge X선 흡수 미세구조 분석’을 통해 주석 음극에서 형성되는 주요 중간상과 가역적인 나트륨 저장 반응 경로를 규명했다.

이를 통해 충·방전 과정에서 나타나는 주석 음극의 구조 변화와 성능 저하 원인을 밝혀내고, 고용량의 안정적인 음극을 설계할 수 있는 과학적 기반을 마련했다.

연구팀은 규명된 반응 메커니즘을 토대로 ‘주석 나노복합체’를 설계했다.

해당 소재는 산화주석, 알루미늄, 탄소를 출발물질로 사용해 단일 기계화학적 환원 공정으로 제조할 수 있어 공정이 간단하고 효율적이다.

박철민 교수는 "이번 연구는 주석 음극의 나트륨 저장 반응 메커니즘을 규명하고, 이를 기반으로 구조적 안정성이 향상된 주석 나노복합체 음극을 설계했다는 점에서 의미가 있다"고 말했다.

이어 "사전 나트륨화 전략을 통해 초기효율 문제까지 효과적으로 보완함으로써 고에너지·고출력 나트륨이온전지의 실용화 가능성을 한층 높일 수 있을 것으로 기대한다"고 했다.

이번 연구는 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업, 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

박철민 교수와 인하대 환경공학과 전기준 교수가 공동 교신 저자로 참여했으며, 금오공대 이영한 연구원이 제1저자로, 윤정명·한제현 박사과정 연구원이 공동 저자로 참여했다.

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