[기계신문] 오늘날 리튬이온 이차전지는 전기자동차 및 저비용, 장기 안정성 및 높은 비에너지 밀도를 요구하는 재생에너지 시스템의 대표적인 저장 장치로 널리 인식되고 있다. 그러나 리튬 자원의 제한된 자원으로 인해 이를 대체할 에너지 저장 장치에 대한 필요성이 점차 대두되고 있다.
나트륨의 자연적인 풍부함과 리튬에 비해 저렴한 비용 때문에 나트륨 기반 물질이 최근 많은 관심을 받는다. 하지만 리튬과 나트륨의 유사한 물리화학적 성질에도 불구하고, 현재의 리튬이온전지(LIBs) 시스템을 나트륨이온전지(NIBs)로 대체하기 위한 과제가 여전히 남아있다.
나트륨이온전지의 경우 큰 이온반경 차이로 인해 율속 특성이 낮고 수명이 짧은 한계가 있다. 더불어 현재까지 보고된 나트륨이온전지용 음극은 양극에 비해 수가 적고 성능 또한 기존 시스템에 비해 한계가 있다.
또한 대용량 그리드 시스템에 적용되기 위해서는 가격 경쟁력과 공정의 단순함이 매우 중요하다. 따라서 구조적 안정성 및 수명 특성이 검증된 나트륨이온전지용 다양한 전극 재료, 핵심 요소 기술이 필요하다.
최근 한국과학기술원 김도경 교수 연구팀은 그래핀에 게르마늄 황화물이 균일하게 분포된 나노 전극을 개발하고, 전기화학적인 구동 원리를 규명했다.
연구팀은 친환경·저비용의 수열합성법과 탄소화 열처리를 통하여 최종 100 nm 크기의 게르마늄 황화물 초미립 입자를 형성했다. 탄소화 열처리를 통하여 게르마늄 황화물의 크기뿐만 아니라 그래핀의 특성을 향상하는 효과까지 확보했다.
게르마늄 황화물-그래핀 전극을 나트륨이차전지에 삽입하여 구동한 결과, 이론용량을 뛰어넘는 805 mAh/g의 높은 초기 방전 용량을 나타냈다. 또한 5000 mA/g의 고속 충방전 시에도 616 mAh/g의 높은 가역 용량을 유지해 우수한 율속특성과 긴 수명주기 안정성을 보였다.
이는 기존의 연구들이 황화물의 낮은 전기전도도로 인해 전극 내의 전기화학 반응을 완전하게 이용하지 못했던 결과들과는 차별화된다.
이러한 음극 재료에 대한 순차적 변환-합금 반응의 전기 화학적 거동을 조사하여 방전/충전 공정에서의 구조적 전이와 화학적 상태를 조사했다.
게르마늄 황화물 나노 복합체의 우수한 전기 화학적 성능이 순차적 변환-합금 반응에서 비정질화를 통해 가역적으로 상전이가 일어나며 용량 증대를 유도한다는 것을 확인했다.
게르마늄 황화물 나노 복합 재료에 대한 반응 메커니즘에 대한 이해는 이를 비롯한 다양한 나트륨 이온전지 음극 분석에 대한 새로운 접근법을 제공한다.
김도경 교수는 “현재 나트륨이차전지 음극 소재의 취약점인 고비용, 대형전지 제작의 어려움을 돌파하는 기초자료로 활용될 수 있다”며 “개발된 나노전극 소재 합성, 전극 및 이차전지 충‧방전 후 성능 분석 기술은 에너지 분야 중추적인 기술로서 파급효과가 클 것으로 예상된다”고 설명했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 6월 25일 게재되었다.