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KIST 과학기술연구원

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제목 나노복합화를 통한 전극소재로 친환경, 저비용 소금 전지 만든다
연구팀 에너지융합연구단 정경윤 박사팀 조회수 400
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- 나노 소재 복합화를 통한 경제성 있는 나트륨 기반 이차전지 전극 소재 개발

- 온실가스 저감 및 차세대 고효율 전기 에너지 저장 시스템의 원천 기술 기대


기존 화석 연료를 주로 사용하던 에너지원은 점차 재생 가능한 에너지를 활용하는 신재생에너지로 이동하고 있다. 신재생에너지의 대표적인 예로 태양광, 풍력, 수력 및 조력 등은 에너지 발생을 자연현상에 의존하고 있기 때문에 에너지 발생이 간헐적이고, 또한 생산된 전기에너지는 즉각적으로 사용가능한 고품질의 전기가 아니라는 단점이 있다. 따라서 신재생에너지에 의해 발생된 전기에너지의 품질을 향상시키고 사용자가 원하는 시간대에 사용할 수 있도록 하기 위해, 생산된 전기에너지를 저장하였다가 필요할 때 사용할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)이 필요하다. 최근 리튬이온전지(LIB, Lithium-Ion Batteries)와 유사하나 리튬 대신 소금의 주요 원소인 나트륨을 활용하는 나트륨이온전지(SIB, Sodium-Ion Batteries)가 잠재적 후보로 등장했다. 나트륨은 리튬대비 자원이 풍부하여 리튬이온전지 대비 가격 경쟁력이 우수한 ESS를 구성할 수 있는 장점이 있으나 이를 실현하기 위해서는 고성능의 전극 재료에 대한 연구가 필요한 상황이었다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 정경윤 박사팀은 새로운 나노복합체(플루오린화 주석(SnF2)과 탄소(C))를 기반으로 하는 나트륨이온전지용 새로운 음극재 개발에 성공했다. 연구진이 개발한 음극재는 나노 크기의 플루오린화 주석(SnF2)과 고전도성 아세틸렌 블랙(C)을 불활성 조건에서 혼합한 후, 볼 밀링 방법을 적용하여 제조하였다. 연구진은 제조 환경을 적절히 조절하여 두꺼운 탄소 층으로 캡슐화 된 나노복합체를 제조하여 나트륨 이온전지에 적용하는 기술을 개발했다. 

연구진은 개발한 나노 복합체 음극(SnF2/C)이 563mAh/g의 높은 성능을 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 복합화 되지 않은 SnF2 전극의 가역 용량(323mAh/g)에 비해 약 두 배 가량 향상되었음을 보여주었다. 수명 특성 또한 복합화되지 않은 SnF2 전극은 지속적인 용량 감소를 나타내며 충·방전 50 회차 시 49mAh/g의 용량을 나타내나, 나노 복합체 음극(SnF2/C) 전극은 동일한 충·방전 회차 시 337mAh/g의 높은 용량을 유지하여 수명 특성이 획기적으로 향상된 것을 확인했다. 연구진은 나노복합화를 통해 향상된 수명 특성의 효과를 이끌어 내었다. 

본 연구를 주도한 KIST 정경윤 박사는 “본 연구에서 개발된 나노 복합체(SnF2/C)는 나트륨이온이차전지에 적용하여 전지 성능(에너지밀도)을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 기술로 향후 나트륨이온이차전지를 에너지 저장 시스템에 적용하는데 기여할 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’(IF : 12.343) 최신호에 게재되었다. 

<그림자료>
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<그림 1> 나노 복합체 음극 SnF2/C와 마이크로 크기의 SnF2 음극의 수명 특성 비교
나노 복합체 음극 SnF2/C는 마이크로 크기의 SnF2 음극대비 높은 초기용량을 나타내며, 수명 유지율 또한 월등히 우수하다.

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<그림 2> 합성 과정 개요 및 나노 복합체 음극 SnF2/C의 전자현미경 사진
합성 과정인 볼 밀링 프로세스의 개요(좌) 및 합성된 복합체의 전자현미경 사진(우)으로, SnF2의 입자 크기는 대략 25nm이며, 해당 나노 입자를 탄소 코팅층이 캡슐화 하고 있는 것으로 나타낸다.



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