한국과학기술원(KAIST)은 30일 육종민 신소재공학과 교수 연구팀이 황화구리를 기반으로 한 나트륨 이차전지 전극 재료 원리를 규명했다고 밝혔다. 나트륨 이차전지는 하루 한 차례 충전할 경우 5년 이상 쓸 수 있는 성능을 가지고 있다.
업계에선 원자재를 구하기 힘든 리튬 이차전지를 나트륨 소재 전지가 대체할 것으로 전망한다.
리튬이 지구 지표면에 0.005％만 존재하는 것과 비교해 나트륨은 500배 이상인 2.6％가 있다. 다만 리튬 이온 전지 음극 재료인 흑연은 나트륨 저장에 적합하지 않다.
나트륨 이온을 저장하기에는 흑연 층간 거리가 너무 좁아서다.
육 교수 연구팀은 황화구리에서 답을 찾았다. 전환 반응을 거치면 저장 용량이 회복되면서 안정적인 충·방전을 할 수 있다는 사실을 발견한 것이다.
실시간 투과전자현미경을 이용해 그 원리를 관찰한 결과 전환 반응에서 유사 정합 경계면(두 상 또는 두 결정립 사이의 결정 격자 합이 잘 맞는 경계면)을 형성해 입자 분쇄를 막아줬다고 연구팀은 설명했다.
일반적인 전환 반응의 경우엔 반응 전후 결정구조가 완전히 다르다. 부피팽창도 크기 때문에 입자가 분쇄돼 성능 열화를 유발한다.
황화구리는 그러나 나트륨 저장에 따라 결정구조가 유동적으로 변화했다고 연구팀은 전했다.
실제 황화구리는 입자 크기나 형상에 상관없이 높은 나트륨 저장 성능을 보였다.
기존 흑연의 이론 용량 대비 17％ 높은 저장 용량을 갖는 데다 2천 회 이상 충·방전해도 93％ 이상의 저장 용량을 유지했다.
육종민 교수는" 수명이 긴 이차전지 전극 재료 개발에 도움을 줄 것으로 확신한다"며 "고성능 배터리를 구현할 수 있는 기반 기술이 될 수 있을 것"이라고 말했다. 한국연구재단 지원을 받아 수행한 연구 성과는 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Sciences) 6월호 표지 논문으로 실렸다.