국내 연구팀이 현재 고착돼 있는 나트륨 2차전지 양극재에서의 산소(음이온) 산화 반응의 한계를 극복할 수 있는 방안을 제시했다. 앞으로 산소 산화환원 반응을 고려한 나트륨 2차전지 양극재의 설계에 대한 새로운 방향성을 제시하며 상용화를 촉진할 수 있게 된 것이다.
유승호 고려대 화공생명공학과 교수 연구팀(제1저자: 윤건희 석사과정 1년차)은 김두호 경희대 기계공학과 교수팀(제1저자: 구소정 석사과정 2년차)과 함께 나트륨 이온 2차전지 개발의 고착점으로 작용한 산소 산화환원 반응의 열화 현상 해결의 가능성을 시사하는 연구 성과를 내놓았다고 9일 밝혔다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’에 실렸다.
나트륨 이온 2차전지는 현재 상용화돼 있는 리튬 이온 2차전지의 경제성 문제를 해결할 수 있는 기술로 주목받는다. 하지만 리튬 이온 전지에 비해 낮은 용량과 에너지밀도 등의 한계가 있다. 이를 해결하기 위한 방법 중 하나로 양극재의 산소(음이온) 산화환원 반응에 관한 많은 연구들이 진행돼 왔다.
나트륨 이온 2차전지 양극재는 나트륨, 전이 금속, 산소가 결합된 층상 구조를 이루고 있다. 전이 금속은 전지의 충·방전 과정에서 산화환원 중심체의 역할을 한다. 이를 양이온 산화환원 반응이라고 부른다. 산화환원 반응의 양이 많을수록 2차전지의 에너지밀도가 높아진다. 최근 전이 금속은 물론 산소도 산화환원 반응에 참여할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이를 음이온 산화환원 반응이라 부른다. 이 반응을 추가로 활용하면 산화환원 반응의 총량이 증가해 월등히 높은 전극 용량과 셀 측면에서의 높은 에너지밀도를 얻을 수 있다. 하지만 음이온 산화환원 반응의 낮은 가역성으로 인해 전지의 수명 감소와 이온 확산 속도 저하 등을 해결해야 한다.
공동 연구팀은 나트륨 이온 2차전지 양극재의 전이 금속층에 소량의 외부 이온을 도핑해 산소 산화환원 반응의 가역성을 높이는 효과를 유도했다. 이를 통해 큰 구조 변화 없이 합성된 새로운 양극재가 충전 이후 방전 과정에서 산소 산화환원 반응의 가역성을 높이고 속도 성능이 발전한 것을 확인했다. 알루미늄 이온의 내부 도핑이 열역학적으로 안정된 상(phase)을 추가적으로 형성하고 격자 산소를 안정화시키며 산화환원 반응의 산소 참여도를 증가시키는 것도 파악했다.
유 교수는 “알루미늄 이온의 도핑 전략을 통해 나트륨 이온 2차전지 양극의 전압·용량·안정성을 높여 나트륨 이온 전지의 상용화에 큰 기여를 할 것”이라고 기대했다.
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