내 용
(요 약) |
□ 국내 연구진이 차세대 나트륨 전지의 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 음극재 기술을 개발했다. 이론용량·가격 등의 한계가 존재하는 리튬이온전지를 대체할 새로운 이차전지 개발의 필요성이 요구되는 가운데, 고용량·저비용 나트륨 이온 전지의 상용화에 가속도가 붙을 것으로 전망된다.
□ 고려대학교(총장 정진택) 신소재공학과 김영근·강용묵 교수 연구팀은 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI) 서울서부센터 조지웅 박사 연구팀과 공동으로 수산화철(FeOOH)에 기능성 유기물인 아세테이트 분자가 결합된 유·무기 하이브리드 전극 소재를 이용해 충·방전 용량 2배 이상, 효율 30% 이상 개선시키는 기술을 개발했다.
□ 연구결과는 재료과학분야 세계적 권위 학술지 Journal of Materials Chemistry A에 9월 12일 게재됐다.
* 논문명 : Bioinspired redox-coupled conversion reaction in FeOOH-acetate hybrid nanoplatelets for Na ion battery, IF: 14.511, 고려대 박범철(공동제1저자), KBSI 조지웅(공동제1저자), 고려대 강용묵(공동교신저자), 김영근(공동교신저자)
□ 차세대 나트륨 전지에서 나트륨 이온을 고용량으로 저장·방출할 수 있는 전극 소재로, 경제성이 높은 수산화철이 각광받고 있다. 그러나, 수산화철은 원자 반경이 큰 나트륨 이온의 특성상 화학반응 및 전환반응 과정에서 수반되는 철이온의 급격한 산화수 변화와 결정구조의 불안정이 존재한다. 이로 인해, 전기화학 반응의 비가역성이 커지게 되고 이론용량보다 실제용량이 떨어지는 기술적 한계가 있었다.
* 산화수 : 이온 결합 화합물 속에서 이온이 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 전하량을 말함
□ 이러한 불완전한 반응의 한계를 극복하고자, 수산화철-아세테이트 혼합 하이브리드 전극 구조를 개발하고 자연 상태에서의 생물학적인 철(Fe)의 산화-환원 반응을 모사했다. 이를 통해 전환반응 과정에서 발생하는 철 이온의 급격한 산화수 변화를 제어하고 안정적인 화학 반응을 유도해, 나트륨 이온과의 전기화학 반응을 가역적으로 만드는 데 성공했다.
□ 공동연구팀은 수산화철과 아세테이트 성분을 층상구조 방식으로 결합했다. 층층이 쌓인 격자상수가 확장된 형태의 결정구조는 층간 간격을 더 크게 확보할 수 있게 돼, 리튬보다 원자 반경이 큰 나트륨 원자의 탈리·삽입을 쉽게 한다. 결과적으로, 후속 방전-충전 주기 동안 아세테이트와 수산화철의 산화-환원 결합으로 인해 생성된 탄산염은 나트륨 이온의 저장을 위한 안정적·가역적인 중심 창구 역할을 하게 된다.
* 격자상수 : 동일한 모양과 구조를 띠는 결정안의 원자 간의 가로, 세로, 높이와 같은 간격
□ 이와 같이, 수산화철의 환원과 아세테이트의 산화가 결합된 반응은 자연 상태에서 보여지는 생물학적인 철의 산화-환원 반응 기작과 유사하다. 하이브리드 구조에서 무기물과 유기물이 상호 작용하는 산화-환원 반응을 통해 가역적인 전환 반응을 가능하게 함은 물론, 순수한 수산화철을 전극 소재로 사용했을 때에 비해 충방전 효율을 30% 이상, 용량은 100% 이상 증가시키는 등 나트륨 전지의 성능을 최고 수준으로 끌어올린 의미가 있다.
□ 이러한 전극 구조의 폭넓은 활용을 통해 상용화가 가능한 수준의 고용량, 저비용 차세대 나트륨 전지 개발은 물론, 현재 상용화 중인 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 고용량, 고안정성 전극소재 개발도 가능할 것으로 기대된다.
□ 고려대 김영근 교수 연구팀과 박범철 박사는 본 연구의 초기 아이디어를 확보해 각 실험에 필요한 시료준비 및 연구총괄을 맡았다. 고려대 강용묵 교수 연구팀은 유·무기 하이브리드 전극의 전기화학적 특성을 분석했다. KBSI 조지웅 박사 연구팀은 유·무기 하이브리드 전극의 충·방전 과정에서 발생하는 결정구조의 변화를 실시간 분석할 수 있는 in-situ XRD 분석법과 투과전자현미경을 활용해 결정구조의 변화를 정밀하게 분석했다.
□ 고려대 강용묵 교수는 “전기화학적 반응을 통해 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 전극 소재에 대한 관심이 커지고 있는 상황”이라며, “유기물의 반응을 결합시켜 전환 반응을 가역적으로 만드는 시도는 향후 고에너지 밀도의 전극 소재를 개발하는 데 있어, 새로운 접근방법을 제시해줄 수 있을 것 같다”고 이번 연구 의의를 설명했다.
□ KBSI 조지웅 박사는 “이번 연구는 자연에 존재하는 화학 반응을 모사해, 이차전지 전극소재 개발에 적용한 매우 의미있는 연구결과”라며, “앞으로도 전극 물질의 결정구조 변화를 실시간 관찰할 수 있는 분석기술의 다양한 활용을 통해 상용화 단계의 에너지 전환 및 저장에 필요한 신소재 개발에 기여할 수 있도록 힘쓸 것”이라고 말했다.
□ 이번 연구결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구사업과 과학기술정보통신부 과학기술일자리진흥원 연구장비 핵심기술개발사업의 지원으로 진행됐다.
= 이하 내용 첨부파일 참조 =
|
|---|
20221012[고려대]차세대 나트륨 전지 실용화 앞당길 전극소재 기술 개발_수정.hwp