[한국기술뉴스] 고려대학교(총장 정진택) 공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자: 윤건희 석사과정 1년차)이 경희대 기계공학과 김두호 교수팀(제1저자: 구소정 석사과정 2년차)과 공동 연구로 현재 고착되어있는 나트륨 이차전지 양극재에서의 산소(음이온) 산화반응의 한계를 극복할 수 있는 방안을 제시하고 그 원인에 대해 규명했다. 이를 통해 향후 산소 산화환원 반응을 고려한 나트륨 이차전지 양극재의 설계에 대한 새로운 방향성을 제시했다.
 

나트륨 이온 이차전지 개발의 고착점으로 작용한 산소 산화환원 반응의 열화현상 해결의 가능성을 시사하는 이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF=29.368)에 2월 8일 게재됐다.

나트륨 이온 이차전지는 현재 상용화되어 있는 리튬 이온 이차전지의 경제성 문제를 해결할 수 있는 신재생 에너지 기술이다. 풍부한 매장량과 비교적 경제적인 구성 소재 비용으로 주목받는 나트륨 이온 전지는, 리튬 이온 전지 대비 낮은 용량과 에너지 밀도 등의 한계를 가지고 있다. 이를 해결하기 위한 전략 중 하나로 양극재의 산소(음이온) 산화환원 반응에 관한 많은 연구들이 선행됐다.

나트륨 이온 이차전지 양극재는 나트륨, 전이 금속, 산소가 결합된 층상구조를 이루고 있다. 일반적으로, 전이 금속은 전지의 충/방전 과정에서 산화환원 중심체의 역할을 하고, 이를 양이온 산화환원 반응이라 부른다. 산화환원 반응의 양이 많을수록 이차전지의 에너지 밀도가 높아진다. 최근 연구를 통해, 전이 금속뿐만 아니라 산소도 산화환원 반응에 참여할 수 있다는 것이 밝혀졌고, 이를 음이온 산화환원 반응이라 부른다. 이 반응을 추가로 활용하면 산화환원 반응의 총량이 증가하기 때문에, 월등히 높은 전극 용량과 셀 측면에서의 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 그러나, 음이온 산화환원 반응의 낮은 가역성으로 인해 전지의 수명 감소와 이온 확산 속도 저하 등 해결해야 할 과제들이 존재한다.

유승호 교수 연구팀은 나트륨 이온 이차전지 양극재의 전이 금속층에 소량의 외부 이온을 도핑하여 산소 산화 환원 반응의 가역성을 높이는 효과를 유도했다. 이를 전기화학적 분석으로 확인하고, 다양한 물질 분석 실험과 김두호 교수 연구팀의 범밀도함수이론(DFT) 기반 계산과학을 통해 그 원리에 대해 규명하여 이해도를 높이고자 했다. 큰 구조변화 없이 합성된 새로운 양극재는 충전 이후 방전 과정에서 산소 산화환원 반응의 가역성을 향상시킬 뿐만 아니라, 구조 변화의 높은 가역성과 발전된 속도 성능을 보였다. 알루미늄 이온의 내부 도핑이 열역학적으로 안정된 상(phase)을 추가적으로 형성하고, 격자 산소를 안정화시키며 산화환원 반응의 산소 참여도를 증가시킨 것을 계산과학을 통해 파악했다.

유승호 고려대 교수는 “이번 연구에서 제시된 알루미늄 이온의 도핑 전략을 통해 나트륨 이온 이차전지 양극의 전압, 용량 및 안정성을 높여, 나트륨 이온 전지의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구자 지원사업 및 4단계 BK21 사업의 지원으로 수행됐다.