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소금으로 배터리 개발… “리튬 고갈 염려 사라진다”

2017년 12월 26일 18:08

국내 연구팀이 값비싼 희귀재료 대신 소금으로 2차 전지(충전식 배터리)를 만들 수 있는 기술을 새롭게 개발했다. 현재 가장 널리 쓰이는 리튬 전지는 소형화가 쉽고 성능이 안정적이지만 매장 자원에 한계가 있어 가격상승과 공급 불안정 우려가 높다. 나트륨은 소금의 주성분으로 쉽게 구할 수 있어 주목받고 있지만 배터리로 만들경우 충ㆍ방전 효율이 낮아 이를 극복할 기술 개발이 절실한 상황이었다.

 

김도경 KAIST 신소재공학과 교수팀은 나트륨 2차 전지의 음극소재로 사용가능한 주석황화물 나노 복합체를 개발했다고 26일 발표했다.

 

이미지 확대하기KAIST 김도경 교수 - 한국연구재단 제공
KAIST 김도경 교수 - 한국연구재단 제공

연구팀은 고온ㆍ고압 상태에서 물에 금속 등을 녹인 다음, 이를 원하는 형태로 가공하는 ‘수열합성법’을 이용해 주석 황화물과 그래핀(탄소단원자막) 화합물을 합성했다. 그 다음 그래핀 속 빈 공간을 열처리를 통해 탄소로 채웠다. 이 방법으로 주석황화물 복합체의 크기를  2nm(나노미터, 1nm는 10억분의 1m)의 초미세 입자로 가공하는데 성공했다.

 

이번에 연구팀이 개발한 나노 복합체는 1g 당 1시간 동안 1230mA(밀리암페아)의 전기를 저장할 수 있는 초기용량을 가졌다. 현재 리튬이차전지의 단점인 충ㆍ방전 시 속도저하나 부피팽창 등의 문제 역시 해결했다.

 

연구진은 이번에 개발한 나노 복합체를 나트륨 이차전지에 삽입해 실험한 결과, 기존 주석황화물 전극의 이론 용량에 준하는 높은 방전 용량을 기록했으며, 고속 충 방전 시에도 그 용량을 유지하는 것을 확인했다. 현재 100번 이상 충전과 방전을 계속해도 수명과 용량이 유지된다는 사실도 확인했다.

 

논문 제 1저자인 김주형 KAIST 연구원은 “리튬이나 나트륨 이온 모두 이론상 용량은 시간당 1000~1200mA 사이로 모두 비슷하다”며 “하지만 나트륨 전지는 충ㆍ방전시 효율을 낮아 이 이론 용량을 구현하기 어려웠다"고 말했다. 그는 이어 " 나트륨 전지를 리튬 전지 못지 않게 만들 가능성을 연 것이 이번 연구의 의의”라고 밝혔다.

 

이에 김 교수는 “차세대 배터리로 각광받는 나트륨이차전지의 성능을 개선하고 실용화할 수 있도록 후속 연구를 진행할 것”고 말했다.

 

이 연구는 재료 과학분야 학술지인 ‘스몰’ 11월 24일자에 게재됐다.

 

 

이미지 확대하기나트륨 이차전지용 초미세 주석 황화물 전극소재 전지 구동 그래프. 100회가 넘는 충·방전에도 전지 용량이 안정적으로 유지되는 것을 보여준다. 아래는 탄소 치유법을 이용한 초미세 주석 황화물 전지 전기화학 반응 메커니즘 설명도 - 한국연구재단 제공
나트륨 이차전지용 초미세 주석 황화물 전극소재는 100회가 넘는 충·방전에도 전지 용량이 초기용량 대비 약 65~80%수준으로 유지됐다. -한국연구재단 제공

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