경상국립대 최재원 교수팀, 나트륨 이온 배터리용 고성능 음극재 개발

경상국립대 자연과학대학 화학과 최재원 교수 연구팀이 차세대 에너지 저장장치로 주목받는 나트륨 이온 배터리(Sodium-Ion Battery)의 성능과 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 음극재를 개발했다.

이번 연구는 경상국립대 최재원 교수 연구팀(주저자 문준하 박사)과 한국생산기술연구원 명윤 선임연구원 연구팀(주저자 남득현 박사과정)의 공동연구로 수행됐다.

나트륨 이온 배터리는 리튬 대비 자원 확보가 용이하다는 장점이 있지만, 나트륨 이온의 큰 크기로 인해 충·방전 과정에서 구조 붕괴와 성능 저하가 발생하는 한계가 있었다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 나노 황화철을 중공 구조의 탄소 내부에 캡슐화한 복합 음극재를 설계했다.

해당 구조는 충·방전 시 발생하는 부피 팽창을 효과적으로 억제하고, 중공 탄소의 높은 비표면적을 통해 반응 활성과 이온 이동성을 동시에 향상시킨 것이 특징이다.

실험 결과, 개발된 전극은 1.0 A/g 조건에서 280회 충·방전 후 450 mAh/g, 2.0 A/g 조건에서 300회 충·방전 후 350 mAh/g의 용량을 유지하며 기존 황화철 음극 대비 우수한 전기화학적 성능과 사이클 안정성을 보였다.

특히 60°C의 고온 환경에서도 1.0 A/g 조건으로 100사이클 동안 650 mAh/g의 높은 용량을 유지해, 고온 조건에서도 안정적으로 작동 가능한 차세대 나트륨 이온 배터리 음극재로서의 가능성을 입증했다.

연구팀은 실시간 저항 분석(In-situ EIS)을 통해 사이클이 진행될수록 전극의 전기화학적 저항이 감소하는 현상을 확인했으며, 이를 통해 이온 전도도 및 반응 동역학 개선이 성능 향상의 주요 원인임을 규명했다.

한편, 이번 연구 성과는 녹색·지속가능 과학기술 분야 국제학술지 '에코 맷(Ecomat)'에 게재됐다.