한국금융경제신문=심영범 기자 | 세종대학교는 명승택 나노신소재공학과 교수 연구팀이 하드카본 입자 내 빈공간에서 성능저하에 원인이 되는 반응이 나타나며, 충/방전 시 표면에 절연층의 형성이 전지 성능을 감소시킨다는 것을 밝혀냈다고 24일 밝혔다.

이러한 성과를 바탕으로 국제 학술지(Advanced Energy Materials)에 새로운 메커니즘을 발표했다.

차세대 전지로 각광 받고 있는 나트륨이온전지는 풍부한 자원량과 광범위한 분포가 특징으로, 더 우수한 경제성 및 접근성을 보인다. 또한, 제조공정이 리튬이온전지와 유사해 기존의 제조 인프라를 활용할 수 있다는 점이 부각된다.

하지만 나트륨이온전지는 기존 대부분의 리튬이온전지에서 사용해 왔던 흑연(graphite) 음극을 적용할 수 없어 적절한 대체재의 대한 연구가 필수적인 시점이다. 

현재 가장 많이 사용되는 나트륨이온전지용 음극은 비정질 소재인 하드카본(hard carbon, 그래핀 층들이 무질서하게 분포한 탄소재료)이다. 하드카본은 흑연에 비해 우수한 나트륨 저장용량을 보이지만, 고속 충전 시 성능이 저하된다는 단점이 있어 세계적으로 하드카본의 단점을 극복하기 위한 다양한 연구가 이뤄지고 있다.

하드카본 음극의 경우, 나트륨이온이 하드카본의 무질서한 그래핀 층사이로 삽입(intercalation)시 두가지 형태의 전압변화특성을 나타낸다. 

첫번째는 완만한 기울기를 가지고 약 0.1V (금속나트륨 전위기준)까지 도달하게 된다. 이 반응은 층사이로 삽입되기 때문에 빠른 속도로 반응이 일어나게 된다. 이후, 계속적인 나트륨이온의 삽입반응에 의해 전위평탄영역을 나타내며, 이는 약 0.01V 까지 진행이 되지만 나트륨이온의 확산속도는 현저히 저하된다.

이러한 현상을 실시간 라만분광기 (In situ Raman Spectroscopy)를 이용해 관찰한 결과 0.1V 이상의 영역에서는 탄소 G-밴드의 가역적 변화를 관찰했다. 이는 강한 계면 전하 전달 저항의 변화와 나트륨이온 확산 속도의 변화에 의한 가역적인 나트륨이온의 삽입/탈리 반응을 나타낸다.

반면에, 0.1 V이하의 저전압영역 전위평탄영역에서는 나트륨이온 확산성의 두드러진 감소를 보였다. 이러한 이유는 나트륨이온이 무질서한 그래핀층으로의 삽입반응이 점점 어려워지는 반면, 무질서하게 분포된 그래핀의 폐기공(closed pore) 내부로 삽입이 되어 나트륨이온이 가역적으로 탈리(deintercalation)가 되기 어렵다는 것을 증명했다.

결국, 계속적인 나트륨이온의 삽입과 더불어 탈리반응에 의한 SEI(soli-electrolyte interphase, 고체막)층이 점진적으로 두꺼워지게 된다.

이는 저전압에서의 완전한 나트륨이온의 삽입반응을 지연시키고 일부는 그래핀의 폐기공(closed pore) 내부에서 탈리가 불가하게 돼 금속화된 나트륨 군집형성에 의한 용량 감소를 초래한다. 이러한 현상의 고속으로 충방전시 현저하게 관찰된다.

명승택 교수는 “이러한 메커니즘을 바탕으로 향후 개선된 표면 및 전해질 연구를 통해 하드카본의 성능저하를 개선하고 해결책을 제시하여 고성능의 나트륨이온전지 상용화에 기여하겠다”고 말했다.

이번 연구는 한국과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단(NRF)의 국제연구개발프로그램의 지원을 받아 수행됐다. 

또한, 산업통상자원부가 지원하는 기술혁신프로그램(Alchemist Project, 20012196, AI 기반 초임계 물질 발굴)의 지원을 받아 국제 SCI급 학술지인 Advanced Energy Materials(IF: 27.8)에 게재됐다.