[한국기술뉴스] 고려대학교(총장 정진택) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자:박성준 석박통합과정)이 경희대 기계공학과 김두호 교수 연구팀(제1저자:이재운 석사과정)과 공동연구를 통해 티타늄 이온이 도핑된 나트륨 이온 양극재를 합성하고, 전기화학 성능을 크게 향상시켰다. 나아가, 성능 향상의 구조적인 원인을 ‘견고한 용수철 네트워크’라는 새로운 모델로 제시했다. 이번 연구성과는 국제 저명 학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈 (Energy Storage Materials)’ (IF=20.831)에 유럽 현지 시간 9월 14일 온라인 게재됐다.

나트륨 이온 이차전지는 현재 상용화되어 있는 리튬 이온 이차전지의 경제성 문제를 해결할 수 있는 신재생 에너지 기술이다. 특히 리튬 이온은 지각 내 매장량이 매우 적고, 특정 광산에서만 채취 가능한 자원이기 때문에 자원 안정성이 높은 나트륨 이온을 활용한 이차전지에 대한 관심이 주목되고 있다. 그러나 나트륨 이온 전지는 리튬 이온 전지 대비 용량과 에너지 밀도가 낮다는 한계가 있다. 이를 극복하기 위한 전략 중 하나로 나트륨 이온 전지 양극재의 산소(음이온) 산화환원 반응을 활용하는 전략에 대한 연구들이 선행됐다.

나트륨 이온 이차전지 양극재는 나트륨, 전이 금속, 산소가 결합 된 층상구조를 이루고 있다. 여기서 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 알려졌고, 이를 음이온 산화환원 반응이라 부른다. 이 반응을 추가로 활용하면 산화환원 반응의 총량이 증가하기 때문에, 월등히 높은 전극 용량, 셀 측면에서 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 그러나, 음이온 산화환원 반응의 낮은 가역성으로 인해 전지 수명 저하를 유발하고, 그 외에도 속도 성능 저하라는 해결해야 할 과제들이 존재한다.

유승호 연구팀은 기존의 나트륨 이차전지용 양극재의 전이 금속층에 소량의 티타늄을 도핑하여 산소 산화환원 반응의 가역성을 높였고, 성능 향상의 원인을 ‘견고한 용수철 네트워크’ 모델로 구조적인 관점에서 설명했다. 이 모델은, 티타늄이 양극재의 전이 금속층 내에 도핑됨에 따라, 충방전시 니켈 이온과 산소 이온 간의 결합 길이 변화량을 줄여 산소 산화환원 반응이 일어나는 전압 구간에서도 양극재의 구조 안정성을 높였다는 것을 설명하고 있다. 더 나아가, 전기화학적 분석을 통해 티타늄이 도핑된 양극재의 용량, 수명, 속도 성능 또한 향상된 것을 확인했고, 다양한 물질 분석 실험과 김두호 교수 연구팀의 범밀도함수이론(DFT) 기반 계산과학을 통해 그 원리에 대해 규명하여 이해도를 높였다.

유승호 고려대 교수는 “이번 연구는 나트륨 이온 이차전지용 양극재의 한계점 돌파 전략인 산소 산화환원 반응의 열화현상 해결에 대한 가능성을 시사한다. 이를 통해 기존 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 차세대 나트륨 이온 전지의 실용화를 한 걸음 더 앞당기는 데 도움을 줄 것이다.”라고 말했다.