"ESS 원료 고가의 리튬, 값싼 나트륨전지로 대체 가능"

▲명승택 세종대 교수

[에너지경제신문 김민준 기자] 16일 한국연구재단(이사장 조무제)에 따르면 세종대 명승택 교수 연구팀이 매장량이 풍부한 철 산화물과 전기 전도도가 높은 신소재 탄소나노튜브를 결합해 나트륨이온전지의 신개념 양극소재 복합체를 개발했다.

이차전지 원료로 가장 많이 활용되는 리튬은 매장량이 많지 않고 가격이 비싸 현재 이를 대체할 수 있는 나트륨이온전지의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 하지만 나트륨이온전지의 양극소재로 개발된 물질들은 대부분 전기 전도도가 낮아 충전과 방전 속도가 느리거나 안정성 저하의 문제가 있었다.

명승택 교수팀은 신개념 이차전지 양극재로 가장 풍부한 자원 중 하나이자 다른 금속에 비교해 상대적으로 저렴한 철 산화물 중 터널 구조를 갖는 베타-산화철 수산화물(β-FeOOH)에 주목했다. 여기에 전기 전도도가 높은 탄소나노튜브를 결합해 높은 전류밀도에서도 우수한 방전 용량을 보이는 복합체 산화철(3가) 수산화물/탄소나노튜브(β-FeOOH/CNT)를 합성했다.

연구팀은 합성된 β-FeOOH/CNT를 X선 회절기 등의 분석 장비를 이용해 물성 실험을 진행한 결과, 기존 학계에 보고된 금속과 산화나트륨이 나오는 전환반응과 달리 산화철과 수산화나트륨이 나오는 새로운 반응 메커니즘을 확인했다. 특히 1920 mA g-1의 높은 전류밀도에서도 104mAhg-1의 용량과 300 사이클 동안 70%의 용량 유지율을 나타내며 뛰어난 고율특성을 자랑했다. 또 탄소나노튜브의 높은 전기 전도성으로 나트륨 저장을 위한 신속한 전환반응이 가능하다는 점과 탄소나노튜브가 β-FeOOH와 복합체를 형성했을 때 뛰어난 전기적 성능을 발휘한다는 점을 규명했다.

▲매장량이 풍부한 철 산화물과 전기전도도가 높은 신소재 탄소나노튜브를 통해 개발한 나트륨이온전지 양극소재 개념도.

명 교수는 "리튬이온전지는 에너지 저장 기능이 뛰어나 ESS에 가장 많이 활용되지만, 자원의 양이 한정돼 있고 고가라는 문제점이 있어 이를 대체할 자원이 필요하다"며 "나트륨은 지구상에서 가장 풍부한 자원으로, 나트륨이온전지는 리튬이온전지와 개념적으로 유사해 대체가 가능하다"고 했다.

또 그는 "β-FeOOH 자체로는 전기전도성이 현저히 낮아 상품화 가치가 없다. 그래서 전기전도성을 높이기 위해 탄소나노튜브와의 복합체를 만들었고, 결합력을 향상시키기 위해 산처리를 한 탄소나노튜브를 활용, β-FeOOH/CNT복합체를 형성했다"며 "그 결과, 수명특성과 고율특성에서 매우 뛰어난 전기화학적 성능을 발휘하는 것을 확인했고, 예상치 못했던 새로운 반응의 전환 메커니즘을 규명 할 수 있었다"고 설명했다.

이어 명 교수 "이 연구는 가격이 저렴한 철 이온 화합물을 이용해 새로운 전환반응을 하는 우수한 양극소재를 개발해 고가의 리튬이온전지를 나트륨이온전지로 대체할 수 있는 기반을 마련한 것"이라며 "앞으로 나트륨이온전지와 전고체전지 등에 충분히 적용할 수 있을 것으로 기대된다"고 했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 등의 지원으로 수행돼 지난달 에너지 분야 국제학술지인 ‘나노에너지’에 게재됐다.