▲ 금속 황화물 소재의 열화 메커니즘 및 복합소재에서의 다기능 세라믹 코팅층 역할 요약

리튬이온 배터리보다 저렴한 나트륨이온 이차전지용 음극소재가 개발돼 대용량 전력저장장치로서의 상용화가 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 김상옥 박사팀이 저비용·고효율의 나트륨 배터리 음극소재를 개발했다고 18일 밝혔다.

나트륨 이온전지는 리튬이온 이차전지보다 40% 저렴해 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 그러나 적합한 음극소재가 없이는 상용화가 어려운 단점이 있었다.

KIST 연구진은 대용량 음극소재 후보로 주목받고 있는 금속 황화물 소재인 이황화 몰리브덴(MoS₂) 소재를 활용했다. 이황화 몰리브덴은 많은 전기를 저장할 수 있지만 전기저항이 크고 전지가 동작할 때 발생하는 소재의 구조적 불안정성 때문에 사용되지 못했다.

김상옥 박사팀은 저가 친환경 재료인 실리콘 오일을 이용해 세라믹 나노코팅층을 만들어 이를 극복했다. 이황화 몰리브덴 전구체와 실리콘 오일을 섞어 열처리하는 단 한 번의 단순한 공정을 통해 저항이 작으면서도 안정적인 이황화 몰리브덴 이종복합소재를 제작했다.

연구진이 개발한 소재는 전기화학 특성평가 결과, 코팅층이 없는 이황화 몰리브덴 소재보다 2배 이상 많은 전기를 안정적으로 저장할 수 있으며, 5분 이내의 빠른 충전 방전을 200회 반복해도 용량을 그대로 유지하는 특성을 보였다.

이러한 우수한 성능은 이황화 몰리브덴 소재 표면의 높은 전도성과 강성을 가지는 세라믹 나노-코팅층이 소재의 저항을 낮추고 구조를 안정시켰을 뿐만 아니라 코팅층의 표면에서 추가적인 전기를 저장할 수 있었기 때문이다.

KIST 김상옥 박사는 “저렴하고 친환경적인 재료를 활용하는 이 기술을 통해 전극 소재 생산 공정비용을 낮추면 대용량 전력저장장치용 나트륨 이온전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS NANO’최신호에 게재되었다.