세종대 명승택 교수 연구팀이 인체의 뼈를 모방한 소재(NaCaPO4)를 나트륨이차전지 전극소재에 적용하여 층상구조(P2) 소재가 갖는 기존의 효율 저하 문제를 개선하는 데 성공했다.

나트륨이차전지는 현재 사용하는 리튬이차전지를 대체할 것으로 주목받는 나트륨 기반의 이차전지로 리튬보다 가격이 저렴하고, 층상구조(P2)는 층 안의 분자 또는 원자의 결합력과 층 사이의 결합력이 다를 때 형성되는 구조로 얇게 벗겨지기 쉬운 단점이 있다.

고용량 층상구조 소재는 초기에 주목을 받았지만, 구조적 불안정성에 따른 입자 분해 효율 문제가 있어 나트륨이차전지용 양극소재에 적용하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 에탄올에 뼈 소재 원료와 층상구조 양극소재를 섞어 80℃의 온도에서 증발시키고, 이후 열처리 과정을 통해 양극소재 표면에 뼈 소재 원료를 치밀하게 부착하는 방법으로 나트륨이차전지의 전기화학적 성능을 약 40% 향상시켰다.

또 이차전지를 구동할 때 단단한 뼈 소재가 입자의 분해 현상을 표면에서 방지하고, 전해질에 포함된 물이나 산성 물질과 먼저 반응해 양극소재가 피해를 보는 현상을 최소화하는 것을 확인했다.

명승택 교수는 “뼈 소재를 이차전지 분야에 접목시켜 우수한 특성을 보이는 나트륨이차전지용 양극소재를 개발했다”며 “나트륨이차전지의 상용화를 앞당길 수 있는 기반을 마련하고 다른 분야에도 인체 소재를 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다.

과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 등의 지원으로 수행된 이 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Material)에 1월 22일 게재되었다.

(논문명 : Bio-inspired Surface Layer for the Cathode Material of High-Energy Density Sodium Ion Batteries)