주석 나노복합체로 나트륨전지 고속 충·방전 구현

국립금오공과대학교 박철민 재료공학부 신소재공학전공 교수 연구팀이 고에너지·고출력 나트륨이온전지용 주석 기반 나노복합체 음극 소재를 개발했다. 이 음극을 적용한 완전셀은 263.3Wh/kg의 에너지밀도를 구현했으며, 약 6분 안에 충·방전할 수 있는 10C 고율 조건에서도 우수한 성능을 유지했다.

연구진은 방사광가속기를 이용해 주석 K에지 X선 흡수 미세구조를 분석하고, 주석 음극에서 나타나는 주요 중간상과 가역적인 나트륨 저장 반응 경로를 규명했다. 이어 산화주석·알루미늄·탄소를 출발물질로 삼아 단일 기계화학적 환원 공정으로 나노복합체를 제조했다. 공정 중 형성된 산화알루미늄은 부피 변화를 완충하고 탄소는 전자 이동을 지원해 반복 충·방전 뒤에도 구조 안정성을 유지하도록 했다.

나트륨이온전지는 풍부한 매장량과 가격경쟁력을 바탕으로 전기차와 에너지저장장치에 쓰이는 리튬이온전지를 보완할 후보로 주목받고 있다. 다만 나트륨이온이 리튬이온보다 크고 무거워 전극 반응이 느리고 장기 안정성을 확보하기 어렵다. 높은 이론용량과 전자전도도를 지닌 주석도 나트륨 저장 과정에서 큰 부피 변화와 결정립 응집, 성능 저하를 유발하는 중간상이 나타나는 문제가 있었다.

연구팀은 완전셀 초기 구동 과정의 나트륨 손실을 줄이기 위해 직접 접촉식 사전 나트륨화 기술도 적용했다. 최종 음극은 약 100%의 초기 쿨롱효율과 상용 하드카본보다 높은 가역용량을 나타냈다. 박 교수와 전기준 인하대 교수가 공동 교신저자, 이영한 금오공대 연구원이 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 7월호에 실렸다. 연구는 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업과 한국연구재단의 중견연구자지원사업·중점연구소지원사업 지원으로 수행됐다.