경희대학교 웨어러블융합전자연구소 유재수 교수 연구팀이 중국 양저우대학교 연구팀과 공동연구를 진행해 나트륨 이온 배터리의 핵심 부품인 전극과 전해질을 새롭게 설계해 더 긴 시간, 빠르게 작동할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 4월호에 게재됐다.

 

전기차를 비롯해 스마트폰, 노트북 등 최신 전자제품에는 대부분 리튬 이온 배터리가 사용된다. 작고 가벼우면서도 에너지를 많이 저장할 수 있기 때문이다. 하지만 리튬의 제한적인 매장량과 높은 가격으로 나트륨 이온 배터리로 대체하고자 하는 시도가 이뤄지고 있다. 나트륨은 매장량이 풍부하고 저렴해 비용 부담이 적고 자원 확보에도 용이하기 때문이다.

 

그러나 나트륨 이온 배터리는 이온 반응 속도가 느리고 계면 반응성이 감소해 충·방전 과정에서 성능이 빠르게 저하된다. 유재수 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전극구조를 계면 일함수 차이가 큰 이종구조(M/-(OH)x)로 제작했다. 전극 내부에 강한 내부전계를 유도해 전하의 재분배를 촉진하고 전자의 이동을 빠르게 만들어 계면 반응성을 높였다.

 

 

또한 연구팀은 이온 전달을 촉진시키기 위해 기존 에스터계 전해질 대신 에테르계 전해질을 사용했다. 에테르계 전해질은 덜 끈적해 나트륨이 쉽게 녹고, 움직일 수 있어 에너지 소비가 줄었다.

 

연구팀은 새로 개발한 전극과 전해질을 조합해 테스트를 진행했다. 그 결과 1000회 이상 충·방전 후에도 높은 수준의 가역 용량을 유지했고 제작된 배터리는 견고한 사이클 안정성과 높은 에너지 밀도 유지율을 보여 이 시스템의 실용성을 입증했다.

 

유재수 교수는 “배터리의 핵심인 전극과 전해질을 함께 최적화해 성능과 구조적 안정성을 크게 향상시켰다”며 “리튬보다 저렴한 나트륨을 사용하면서도 성능을 유지할 수 있어 향후 실용화 가능성이 크다”고 설명했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 대학중점연구소 사업의 지원으로 진행됐다.

 

헬로티 이창현 기자 |