▲ β-FeOOH/CNT 복합체에 대한 반복적인 전환반응 개략도 .

국내 연구진이 기존의 전환반응 메커니즘을 뒤엎고 새로운 반응 메커니즘을 규명하며 새로운 나트륨이온전지 양극소재를 개발했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 명승택 세종대 교수 연구팀이 매장량이 풍부한 철 산화물과 전기 전도도가 높은 신소재 탄소나노튜브(CNT)를 결합해 나트륨이온전지의 신개념 양극소재 복합체를 개발했다고 16일 밝혔다.

나트륨이온전지는 기존의 리튬이온전지(LIB)를 대체할수 있는 차세대 전지로 개발이 활발하게 진행중이지만 나트륨이온전지의 양극소재로 개발된 물질들은 대부분 전기 전도도가 낮아 충전과 방전 속도가 느리거나 안정성 저하의 문제가 있었다.

이에 명승택 교수팀은 신개념 이차전지 양극재로 가장 풍부한 자원 중 하나이자 다른 금속에 비교해 상대적으로 저렴한 철(Fe) 산화물 중 터널 구조를 갖는 베타-산화철 수산화물(β-FeOOH)에 주목했다.

여기에 전기 전도도가 높은 CNT를 결합해 높은 전류밀도에서도 우수한 방전 용량을 보이는 복합체 산화철(3가) 수산화물/탄소나노튜브(β-FeOOH/CNT)를 합성했다.

또한 연구진은 이러한 합성중에 새로운 방응 메커니즘도 발견했다.

합성된 β-FeOOH/CNT를 X선 회절기 등의 분석 장비를 이용해 물성 실험을 진행했더니 기존 학계에 보고된 금속과 산화나트륨(NaxO)이 나오는 전환반응과 달리 산화철(FeO)과 수산화나트륨(NaOH)이 나오는 새로운 반응 메커니즘을 확인된 것이다.

또 탄소나노튜브의 높은 전기 전도성으로 나트륨 저장을 위한 신속한 전환반응이 가능하다는 점과 탄소나노튜브가 β-FeOOH와 복합체를 형성했을 때 뛰어난 전기적 성능을 발휘한다는 점을 규명했다.

명승택 교수는 “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 연구 의의를 설명했다.

한편, 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 등의 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 나노 에너지(Nano energy) 10월10자 논문으로 게재됐다.