세라믹 나노 코팅층 활용, 대용량 음극소재 개발

KIST 연구진이 개발한 나트륨 이온전지용 대용량 음극소재의 특성(자료제공: KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 김상옥 에너지저장연구단 박사팀이 나트륨이온 이차전지에 적용하기 위해 성능을 올리고, 가격은 낮춘 음극 소재를 개발했다고 지난달 16일 밝혔다.
개발한 소재는 리튬배터리에 상용화된 흑연 음극 소재보다 1.5배 많은 전기를 저장했고, 충·방전을 200회 반복해도 성능이 줄어들지 않았다.
나트륨이온 이차전지는 기존 전지보다 40% 저렴해 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 나트륨 이온은 리튬 이온보다 무겁고 커서 리튬이온전지에 널리 사용되는 흑연과 실리콘 소재에 이온을 안정적으로 저장할 수 없어 새로운 고용량의 음극 소재 개발이 필요했다.
연구팀은 대용량 음극 소재 후보로 주목받는 금속 황화물 소재인 이황화 몰리브덴 소재를 활용했다. 이황화 몰리브덴은 많은 전기를 저장하지만, 전기 저항이 크고 전지가 동작할 때 발생하는 소재가 구조적으로 불안정했다.
이에 연구팀은 값싼 재료인 실리콘 오일을 이용해 세라믹 나노코팅층을 만들었다. 이황화 몰리브덴 전구체와 실리콘 오일을 섞어 열처리하는 공정으로 저항이 작고, 안정적인 이황화 몰리브덴 이종복합소재를 제작했다.
전기화학 특성평가 결과, 코팅층이 없는 이황화 몰리브덴 소재보다 2배 이상 많은 전기를 안정적으로 저장했다. 5분 이내의 빠른 충·방전을 200회 반복해도 용량을 그대로 유지했다.
이황화 몰리브덴 소재 표면의 높은 전도성과 강성을 지닌 세라믹 나노·코팅층이 소재의 저항을 낮추고 구조를 안정시켰다. 코팅층의 표면에서는 전기를 추가로 저장했다.
김상옥 박사는 “나노·코팅층 표면 안정화 기술을 통해 이황화 몰리브덴 소재의 문제점이었던 높은 전기 저항과 구조적 불안정성 문제를 해결했다”며 “이 기술로 전극 소재 생산 공정비용을 줄이면 대용량 전력저장장치용 나트륨 이온전지의 상용화를 앞당길 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 우수신진연구자지원사업을 통해 수행됐다. 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ´ACS나노´ 최신 호에 게재됐다.