기계공학과 김두호 교수 연구팀이 차세대 나트륨 이차전지 양극 소재를 개발했다. 연구팀은 양극재에 알루미늄을 도핑해 기존 난제를 극복했다. 그림은 알루미늄이 도핑된 원자모델과 개선된 산소 산화환원 반응의 가역성을 나타내는 충방전 그래프. 

기계공학과 김두호 교수 연구팀, 알루미늄 도핑해 기존 난제 극복
나트륨 이차전지 산소 산화환원 반응 열화현상 해결 실마리 제안
“나트륨 이차전지 상용화를 위해 노력할 것”

리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)는 에너지 용량 대비 무게가 가볍고, 높은 전압을 갖는다. 이런 특성으로 리튬 이온 전지는 핸드폰, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 기기에 널리 사용될 뿐만 아니라, 최근 주요 산업으로 주목받는 전기차의 핵심 기술로 꼽히고 있다. 하지만 원료가 되는 리튬이 희소해 비싸다는 단점이 있다.

학계에서는 리튬의 경제성 문제를 극복하기 위해 나트륨 이차전지(Sodium ion battery) 개발이 한창이다. 지구상의 나트륨이 리튬보다 500배 이상 많아 경제적 이점이 있다. 하지만 나트륨 이차전지는 리튬 이온 전지 대비 낮은 가역적 용량과 전압으로 에너지 밀도에 한계가 있다. 기계공학과 김두호 교수 연구팀은 나트륨 이차전지의 한계 극복을 위해 양극재의 산소 산화환원 반응을 주제로 고려대 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀과 공동 연구했다.

산소 산화환원 반응 열화 현상 해결할 실마리 제시
김두호 교수 연구팀은 현재 고착돼있는 나트륨 이차전지 양극재의 산소(음이온) 산화반응 한계 극복 방법을 제시하고, 그 원인을 규명했다. 연구 결과는 세계적인 학술지 <어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF=29.368)>에 최근 게재됐다. 김두호 교수는 “이번 연구로 나트륨 이차전지 개발의 맹점으로 작용한 산소 산화환원 반응 열화현상을 해결할 가능성을 제시했다”고 말했다. 논문 제1저자로 연구에 주도적 역할을 한 구소정 학생(기계공학과 석사 4기)은 “산소 산화반응을 연구한 역사가 짧지만, 국내외 석학이 관심을 가져 학계의 주목을 받고 있다”며 산소 산화반응의 중요성을 강조했다.

나트륨 이차전지 양극재는 나트륨, 전이 금속, 산소가 결합된 층상구조를 이루고 있다. 일반적으로, 전이 금속을 중심으로 물질 간 전자 이동이 일어나 충전 및 방전이 이뤄진다. 물질 간 전자 이동 현상을 ‘산화환원 반응’이라 부른다. 김두호 교수는 “산화환원 반응의 양이 많을수록 이차전지의 사용 가능한 전입 영역 내 에너지 용량의 범위가 넓어진다”고 설명했다.

기존 이차전지는 전이 금속의 산화환원 반응만을 이용해 전기·화학 에너지를 얻었지만 최근 연구에서 산소로도 산화환원 반응이 일어날 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 전이 금속과 동시에 산소 산화환원 반응이 일어나면 기존보다 월등히 높은 전극 용량과 에너지 밀도를 얻어, 이차전지의 높은 가치를 창출한다. 하지만 산소 산화환원 반응이 반복되면 전지의 열화현상으로 인한 전지의 수명 및 에너지 효율 저하가 일어난다.

이번 연구는 공동 연구의 장점을 살려 역할을 분배했다. 실험에 강점 있는 유승호 교수 연구팀이 나트륨 이차전지 양극재 전이 금속층에 소량의 알루미늄을 도핑했다. 안정적인 특성을 갖는 알루미늄(Al)으로 높은 가역성을 유도했다. 김두호 교수 연구팀은 계산과학 기반 데이터 주도 연구를 통해 알루미늄을 도핑한 나트륨 이차전지를 원자 단위 소재 특성을 분석하고, 설계 방향을 제시했다. 그 결과 방전 용량이 증가했고, 낮은 가역성 문제도 해결됐다.

“공동연구로 연구 시야 넓혀”
일반적인 이차전지 연구는 성능 향상에 초점을 맞춘다. 구소정 학생은 “이번 연구 결과는 단순히 성능이 향상됐다는 결과를 넘어 왜 성능이 좋아졌는지 물리·화학적 특성을 분석했다”고 강조했다. 물리·화학적 분석을 통해 얻은 이해는 향후 이차전지 성능 예측에 활용할 수 있다. 구소정 학생은 “이번 연구 결과 알루미늄 도핑 소재와 기존 소재의 구조적 안정성 차이가 성능에 영향을 미쳤다. 이 사실을 바탕으로 다른 이차전지 양극재 소재를 연구할 때 기존 구조 대비 변화가 많은지 적은지를 따져 성능 예측의 지표로 사용할 수 있다”고 설명했다.

구소정 학생은 “지금껏 진행했던 그 어떤 연구보다 더 오랜 시간이 걸렸던 만큼 많이 배울 수 있었다. 공동 연구를 하며 실험으로 소재를 분석하는 방법을 더 잘 배울 수 있었다”며 “지금껏 비슷한 주제와 방법론으로 연구하다 보니 다른 관점을 이해하는 자세가 부족했다. 이번 공동연구로 연구를 대하는 다양한 관점이 있음을 깨달았다”며 공동 연구의 장점을 밝혔다.

김두호 교수 연구팀은 나트륨 이차전지 상용화를 위한 연구를 지속할 계획이다. 김두호 교수는 “이번 연구에서 제시된 알루미늄 이온의 도핑 전략을 통해 나트륨 이차전지 양극의 전압 영역 내 용량 및 안정성을 높였다. 앞으로도 연구를 지속해 나트륨 이차전지 상용화를 위해 노력할 것”이라며 계획을 설명했다. 구소정 학생은 “산소 산화환원 반응을 이용하면 기존 이차전지보다 더 많은 용량을 활용할 수 있다는 연구 결과가 계속 확인된다. 이러한 흐름에 몸을 맡겨 계속 연구하고 싶다”고 말했다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr

사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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