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차세대 나트륨이차전지 앞당길 음극 소재 개발

2018년 07월 12일 12:05

나트륨이차전지의 성능을 개선할 새 음극 소재가 개발됐다. 리튬 대신 쉽게 구할 수 있는 나트륨을 활용한 차세대 이차전지 상용화게 기여할 전망이다. 

 

한국연구재단은 김도경 한국과학기술원 교수 연구팀이 게르마늄 황화물 전극을 개발하고, 전기화학적 구동 원리를 규명했다고 12일 밝혔다.

 

현재 이차전지는 주로 리튬을 원료로 사용한다. 희소 자원인 리튬을 대체할 소재로 나트륨이 주목받고 있지만 아직 성능이 리튬이차전지에 미치지 못 한다. 리튬이차전지의 음극으로 쓰이는 흑연이나 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등을 나트륨이차전지에 적용하면 충방전 속도가 느려지고 수명이 짧다. 부피가 팽창하는 현상도 나타난다. 

 

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 그래핀에 게르마늄 황화물이 균일하게 분포된 나노 전극을 개발했다. 전기전도도가 높고 부피 팽창은 줄었다. 초기 용량이 805mAh/g로 우수하게 나타났고, 안정성도 개선됐다. 

 

이미지 확대하기게르마늄 황화물-그래핀 복합체의 미세구조와 수명 특성을 나타낸다. 100회가 넘는 충·방전 횟수에도 전지 용량이 안정적으로 유지된다. - 한국연구재단
게르마늄 황화물-그래핀 복합체의 미세구조와 수명 특성을 나타낸다. 100회가 넘는 충·방전 횟수에도 전지 용량이 안정적으로 유지된다. - 한국연구재단

게르마늄 황화물 전극이 좋은 성능을 보이는 원리도 규명했다. 물질의 조성이 균일한 고체 물질이지만 반응 중 액체처럼 원자 배열이 불규칙한 비정질 상태로 유도되는데, 이로 인해 나트륨 이온 수용량이 증대된 것이다. 이러한 전기화학 구동 원리를 바탕으로 다양한 나트륨이차전지 연구를 위한 새로운 접근이 가능해질 전망이다. 

 

김도경 교수는 “현재 나트륨이차전지 음극 소재의 취약점인 고비용, 대형전지 제작의 어려움을 돌파하는 기초자료로 활용될 수 있다”며 “개발된 나노전극 소재 합성, 전극 및 이차전지 충‧방전 후 성능 분석 기술은 에너지 분야 중추적인 기술로서 파급효과가 클 것으로 예상된다”고 밝혔다. 

 

이 연구는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 6월 25일 게재되었다.

 

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