이차전지의 양극에서 한 종류가 아닌 두 종류의 화학반응이 일어나 전지성능을 향상시킬 수 있는 방법이 제시됐다. 세종대학교 명승택 교수 연구팀이 나트륨 이차전지 양극에서 양이온뿐만 아니라 음이온의 화학반응도 발생할 수 있도록 개발했다고 한국연구재단이 밝혔다.

리튬 원자재의 희소성으로 인해 기존 리튬 이차전지를 대체할 수 있는 나트륨 이차전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 나트륨 이차전지를 상용화할 수 있도록 에너지 용량을 높이고 우수한 구조적 안정성을 확보하려는 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

이에 연구팀은 이차전지의 양극에서 기존에는 양이온만 산화 환원 반응을 일으켰던 것과 달리, 기존 양극 물질에 음이온의 산화 환원 반응을 유도하는 아연을 30% 첨가했고, 양이온과 음이온이 각각 산화 환원에 반응해 에너지 용량이 높아지도록 했다.

이로써 구조의 기둥 역할을 하는 아연의 영향으로 구조적 안정성도 우수해져, 200회의 충전 및 방전 실험에서 기존 양극 물질에 비해 용량 유지율이 40% 향상된 것으로 나타났다.

명승택 교수는 “기존의 반응 기작과 다른 ‘음이온 산화 환원 반응’을 활용해 고성능 나트륨 이차전용 양극 소재를 개발한 것이다”라며 “휴대폰, 가전제품, 나아가 전기자동차 및 대형 에너지 저장 장치에도 활용될 수 있을 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 지난 2월 22일에 게재됐다.

<1-1> 산소의 산화 환원 반응을 나타내는 용량-전압 곡선 및 물질 구조 그림
그래프의 아래에 있는 곡선은 양이온(망간)의 산화 환원 반응을 통해 용량이 구현되는 모습이고, 위에 있는 곡선은 음이온(산소)의 산화 환원반응을 통해 용량이 구현되는 모습이다. 상기 물질은 충전 시 P2 구조에서 OP4 구조로, 방전 시 OP4 구조에서 다시 P2 구조로의 구조 변화를 보인다.

<1-2> 음이온(산소)의 산화 환원 반응을 보이는 다른 물질들과의 비교
다른 논문에서 발표된 음이온(산소)의 산화 환원 반응을 보이는 물질들과 비교했을 때, 이번 연구에서의 물질의 용량 및 용량 유지율이 가장 좋은 것으로 나타났다.

★ 연구 이야기 ★

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.

A. 리튬 원자재의 희소성으로 인해 기존 리튬 이차전지를 대체할 수 있는 나트륨 이차전지는 가장 활발하게 연구되는 대체재 중의 하나이다. 나트륨 이차전지 양극 소재는 상용화될 전지의 성능을 좌우하는 만큼, 성능 구현이 매우 중요하다.

화학식 NaxMnO2(0.4≤x≤0.7)로 표기되는 기존 P2 타입인 층상구조 양극 소재에서의 용량은 기본적으로 양이온(망간)의 산화 환원 반응으로만 구현된다. 하지만 양이온의 산화 환원 반응만으로는 리튬 이차전지를 대체할 수 있을만한 성능에 미치지 못한다. 이러한 용량의 한계를 극복하기 위해 새로운 산화 환원 반응인 음이온(산소)의 산화 환원 반응을 유도해 높은 용량의 양극 소재를 개발하는 것이 시급하다.

Q. 연구 내용은 무엇인가.

A. 기존의 층상구조인 나트륨 이차전지 양극 소재 물질에 30%의 아연을 도핑했다. 구조 내의 아연은 구조의 지지대 역할을 해 충전 및 방전 도중 구조가 붕괴되는 것을 방지해 기존 물질의 안정성을 높이는 데에 기여했다.

Q. 연구 성과는 어떤 것인지.

A. 아연의 도핑을 통해 고용량을 구현하나, 안정성 문제로 인해 연구에 제한이 있었던 음이온 산화 환원 반응 기반의 나트륨 이차전지 양극 소재의 문제점을 원천적으로 해결했다. 이로써 기존의 것과 차별화된 고용량 나트륨 이차전지용 양극소재를 얻을 수 있다. 이를 통해, 나트륨 이차전지의 상용화시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

용어 설명

* P2 타입 : 층과 층 사이의 공간이 삼각기둥(Prismatic) 모양으로 형성되는 구조로, 얇게 벗겨지기 쉬운 단점이 있다.

* 산화 환원 반응 : 원소가 전자를 얻는 과정을 환원, 전자를 잃는 과정을 산화라고 하며, 이차전지에서는 구성 원소의 산화 및 환원 반응을 통해 용량이 구현된다.

* 도핑 : 화학식 NaMO2(M=전이금속)로 표기되는 물질에서 전이금속 M을 다른 원소로 일정 비율 대체하는 기법이다.

* OP4 구조 : P2 타입과 O2 타입의 구조가 번갈아 나타나는 중간구조. 여기서 O2타입이란 층과 층 사이가 팔면체(Octahedral)로 형성되는 구조이다.