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[헤드라인 특허뉴스 TV] KAIST 연구팀, “나트륨 이차전지의 음극 소재 원리 밝혔다”

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특허뉴스 박진석 기자
기사입력 2019/07/19 [17:39]

 

 

KAIST 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 황화구리를 기반으로 한 나트륨 이차전지 전극 재료의 나트륨 저장 원리를 밝혔다고 합니다.

 

나트륨 이차전지는 1일 1회 충전과 방전 시 5년 이상 사용할 수 있는 우수한 성능을 가진 전지로, 이번 연구를 통해 수명이 긴 전극 재료 개발에 기여할 것으로 예상되는데요.

 

리튬 이온 전지는 휴대전화나 전기차 등 일상과 밀접한 다양한 곳에 사용되고 있습니다.

리튬 이온 전지의 원자재인 리튬, 코발트, 니켈 등은 매장지역이 한정돼 있어 가격 흐름이 매우 불안정한데요.

 

2018년에는 수요가 급등해 공급량이 부족해져 리튬과 코발트 가격이 한때 3배 이상 급등하기도 했습니다.

 

이런 문제를 해결하기 위해 리튬 이온 전지의 대안으로 나트륨 이온 전지가 주목받고 있는데요. 리튬이 지구 지표면에 0.005%만 존재하는 반면 나트륨은 그 500배 이상인 2.6%가 존재해 원자재 공급 문제를
해결할 수 있을 것으로 보입니다. 따라서 리튬 이온 전지 대비 저렴한 가격으로 같은 용량의 에너지를 저장할 수 있을 것으로 전망되고 있습니다.

 

하지만 리튬 이온 전지의 음극 재료인 흑연은 층간 거리가 너무 좁기 때문에 나트륨의 저장에 적합하지 않다고 하는데요.

 

비슷한 이유로 다른 삽입반응을 거치는 나트륨 저장물질들도 저장 용량이 낮다고 합니다. 낮은 저장 용량 문제를 해결하기 위해서는 높은 저장 용량을 얻을 수 있는 전환반응이나 합금 반응을 거치는 물질을
사용해야만 하는데요. 이 두 가지 반응을 이용하면 부피팽창이 너무 커지고 급격한 결정구조의 변화에 따라 입자가 분쇄돼 성능이 빠르게 저하되는 단점이 있다고 합니다.

 

연구팀은 높은 저장 용량을 가지는 소재의 충전과 방전의 반복에 따른 열화 방지 관련 핵심원리를 규명했는데요. 황화구리는 지구상에 풍부한 구리와 황으로 이루어져 있어 다른 나트륨 저장 소재 대비 경쟁력이 높아 나트륨 전지의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대되고 있습니다.

 

육종민 교수 연구팀은 일반적인 통념과 달리 황화구리는 전환반응을 거침에도 불구하고 오히려 저장 용량이 회복되며 안정적인 충전과 방전이 가능하다는 사실을 발견했는데요. 전환반응에서 유사 정합 경계면을 형성해 입자의 분쇄를 막아준다는 사실을 밝혀냈습니다.

 

일반적인 전환반응의 경우 전환반응 전후의 결정구조가 완전히 다르고 부피팽창도 크기 때문에 입자가 분쇄돼 성능 열화를 유발하지만 황화구리는 나트륨 저장에 따라 유동적인 결정구조 변화를 해 유사 정합 경계면을 형성하고, 이는 입자의 분쇄를 막아주는 결정적인 역할을 한다고 연구팀은 설명했습니다.

 

연구 결과, 육종민 교수 연구팀은 황화구리는 입자의 크기나 형상에 상관없이 높은 나트륨 저장 성능을 보이는 것을 확인해 2천 회 이상의 충전과 방전에도 93% 이상의 저장 용량을 유지함을 확인했다고 합니다.

 

육종민 교수는 “이번 연구가 미세먼지 해결을 위한 고성능 배터리 개발에 이바지할 수 있을 것이다”라고 밝혔습니다.

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