값싸고 성능 향상된 나트륨 배터리로 전기차 시대 앞당긴다

등록일 : 2021-04-18 조회수 :4210

- 저가 오일 활용, 나트륨 이온전지용 대용량 음극소재 개발

- 저렴하고 간단한 공정으로 제조단가 낮춰, 상용화 기대


수많은 자동차 기업이 내연기관에서 전기자동차로의 전환을 준비하고 있다. 하지만 다소 비싼 가격으로인해 소비자들의 접근성이 높지 않아, 각국 정부는 보조금을 지원하며 전기차 구매를 장려하고 있다. 전기 자동차가 내연기관과 비슷한 수준의 가격경쟁력을 확보하기 위해서는 차량 원가의 30% 가량을 차지하는 배터리의 가격이 저렴해져야 한다.


한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 김상옥 박사팀이 리튬이온 배터리보다 저렴한 나트륨이온 이차전지에 적용할 수 있는 성능은 향상되고 가격은 저렴한 음극 소재를 개발했다고 밝혔다. 개발한 소재는 현재 리튬배터리에 상용화되어있는 흑연 음극 소재보다 1.5배 많은 전기를 저장할 수 있으며 충·방전을 200회 반복해도 성능 감소가 전혀 없었다.


나트륨이온 이차전지는 리튬보다 500배 이상 풍부한 지각 보존량을 가지는 나트륨을 기반으로 만든 이차전지로, 리튬이온 이차전지보다 40% 저렴해 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 하지만 나트륨 이온은 리튬 이온보다 무겁고 커서 현재 리튬이온전지에서 널리 사용되고 있는 흑연과 실리콘 소재에 이온을 안정적으로 저장할 수 없어 새로운 고용량의 음극 소재를 개발해야 한다.


KIST 연구진은 대용량 음극 소재 후보로 주목받고 있는 금속 황화물 소재인 이황화 몰리브덴(MoS2) 소재를 활용했다. 이황화 몰리브덴은 많은 전기를 저장할 수 있지만, 전기 저항이 크고 전지가 동작할 때 발생하는 소재의 구조적 불안정성 때문에 사용되지 못하고 있었는데 김상옥 박사팀은 저가??친환경 재료인 실리콘 오일을 이용하여 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 저장(600mAh/g 이상)할 수 있으며, 5분 이내의 빠른 충·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.


본 연구를 주도한 KIST 김상옥 박사는 “나노-코팅층 표면 안정화 기술을 통해 이황화 몰리브덴 소재의 문제점이었던 높은 전기 저항과 구조적 불안정성 문제를 효과적으로 해결할 수 있었고, 그 결과 안정적으로 많은 전기를 저장할 수 있는 대용량 나트륨 이온전지를 개발할 수 있었다.”라며, “저렴하고 친환경적인 재료를 활용하는 이 기술을 통해 전극 소재 생산 공정비용을 낮추면 대용량 전력저장장치용 나트륨 이온전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다.”라고 말했다.


본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 우수신진연구자지원사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 14.588, JCR 분야 상위 5.260%) 최신 호에 게재되었다.



 * (논문명) Hierarchically Designed Nitrogen-Doped MoS2/Silicon Oxycarbide Nanoscale Heterostructure as High-Performance Sodium-Ion Battery Anode

   - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임효준 학생연구원

   - (교신저자) 한국과학기술연구원 김상옥 선임연구원 


<그림설명>


[그림 1] 금속 황화물-세라믹 복합소재 합성 과정 요약

고분자 오일에 금속 황화물 전구체를 분산시킨 후, 단 한 번의 열처리 공정을 거치면 금속 황화물-세라믹 이종복합소재가 형성됨.



[그림 2] 제조된 금속 황화물-세라믹 복합소재의 전기화학적 성능평가를 통한 용량·수명 특성 평가 결과

200회 충·방전 후에도 600mAh g-1 이상 (흑연 이론 용량 대비 1.5배) 용량을 유지함.

 


[그림 3] 금속 황화물 소재의 열화 메커니즘 및 복합소재에서의 다기능 세라믹 코팅층 역할 요약

금속 황화물 소재는 소듐이온과 반응하여 큰 부피 변화문제, 황 용출 문제, 상 변이 문제를 동반하여 제한적인 성능을 보여줌. 이종복합소재의 다기능 세라믹 코팅층은 금속 황화물 소재의 문제점을 해결하고 표면반응을 통해 용량을 발현하여 우수한 전기 화학적 특성을 보여줌.