나트륨이온전지용 초고용량 하드카본 소재 개발 및 

설계를 위한 가이드라인 제시
윤영수 교수팀 연구 결과 ‘Energy & Environmental Science’ 게재

▲ (왼쪽에서) 현종찬 박사과정생(제1저자, KU-KIST융합대학원), 윤영수 교수(교신저자, KU-KIST융합대학원)

KU-KIST 융합대학원 윤영수 교수 연구팀이 하드카본 음극소재의 나트륨 평탄전위용량을 결정하는 열역학적 및 동역학적 핵심 인자들을 규명하고, 이들을 연결하는 관계식을 제시했다.

수립된 관계식을 기초로 폐플라스틱으로부터 하드카본을 설계하여 세계 최고 수준의 가역 용량(~507mA h g-1)을 나타내는 초고용량 하드카본을 개발, 이를 통해 최초로 제시된 하드카본 설계 가이드라인 관계식의 타당성 증명과 동시에 초고용량 하드카본 음극 설계를 위한 원천특허를 성취했다.

이번 연구 성과는 ‘Energy & Environmental Science’에 3월 26일 온라인 게재됐다.
* 논문 제목 : Design guidelines for a high-performance hard carbon anode in sodium ion batteries
* 논문 링크 DOI: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee00315b

나트륨이온전지는 지각에 풍부한 나트륨 자원을 기반으로 하고, 상용화된 리튬이온전지 기술과 호환할 수 있는 화합물을 기반으로 하는 차세대 에너지정장치로 주목받고 있다. 그러나 나트륨 이온전지의 낮은 에너지밀도는 리튬이온전지 시장에 침투하는 뚜렷한 장벽이 됐다.

그 결과, 지난 수십 년 동안 현실적인 음극 재료 후보들이 광범위하게 연구되었지만 리튬이온전지 시스템에서의 리튬-흑연 화합물(Li+-GIC)의 전기화학 성능에 종합적으로 대응되는 경쟁력 있는 음극 재료는 아직 실현되지 않았다. 다양한 음극 후보군 중에서 하드카본이라고 불리는 소재는 저렴하고 간단한 제조 과정으로 나트륨이온전지의 음극 재료로 오랫동안 고려되었지만, 복잡하게 얽힌 무질서한 그래파이트 격자로 이루어진 하드카본의 미세구조를 완전히 이해하기는 어렵고, 물질 설계에 대한 불분명한 정보의 결과로 약 100~250mA h g-1 정도의 넓은 범위에서 평탄전위 용량이 발현되는 단점을 가지고 있었다.

이번 연구에서는 하드카본의 평탄전위 용량이용계수에 주로 영향을 미치는 하드카본의 주요 동역학적 매개변수에 대해 연구했다, 체계적인 연구를 통해 하드카본의 라만 스펙트럼 I2D/IG 밴드의 비율과 나트륨 이온 전달의 내부 동역학적 장벽 사이에 밀접한 관계를 밝혔다. 열역학적 및 동역학적 매개변수를 바탕으로, 평탄전위 용량의 용량이용계수를 특성화하기 위한 구조적 지표인 SPC factor를 고안했다. SPC factor는 높은 기공 부피 비율과 낮은 I2D/IG 값을 가진 최적의 하드카본 음극을 설명했고, 앞선 미세구조 조절을 통해 약 400mA h g-1의 최고 수준의 나트륨 평탄전위용량을 달성하여 나트륨이온전지용 고성능 하드카본 음극 설계 가이드라인의 실현 가능성을 보여줬다.

이번 연구는 현종찬 KU-KIST 융합대학원 박사과정 학생이 윤영수 KU-KIST 융합대학원 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며 충남대 진형민 교수 연구팀, 인하대 진형준 교수 연구팀의 도움을 받아 진행됐다.

<그림 1>

▲ 그림 설명 : 기존에 연구되었던 다양한 탄소 기반 음극 소재들과 새롭게 설계된 

                   하드카본 샘플의 가역 용량 비교 그래프