[캠퍼스人+스토리] 강기석 서울대 교수팀, 차세대 나트륨 이차전지용 양극 소재 설계

산소 산화·환원 반응의 비가역적 현상 막는 방식

강기석 서울대 재료공학부 교수(왼쪽), 음동건 연구원(오른쪽)/사진=서울대학교

서울대학교 재료공학부 강기석 교수 연구팀이 산소 산화·환원 반응의 열화 메커니즘을 규명하고, 이를 통해 차세대 나트륨 이차전지용 양극 소재를 새롭게 설계하는데 성공했다.

23일 서울대학교 공과대학에 따르면 이번 연구는 향후 높은 에너지 밀도를 갖는 나트륨 이차전지용 양극 소재 개발에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 전망된다. 이 같은 연구 결과는 세계적으로 자연 과학 분야에서 가장 권위 있는 학술지인 네이처 머티어리얼(Nature Materials)에 지난 3월 17일자로 온라인 게재됐다.

최근 리튬과 코발트, 니켈의 원자재 가격이 폭등하면서 리튬 이차전지 양극 소재의 안정적인 수급에 어려움을 겪고 있는 상황에서, 매장량이 풍부하며 가격 경쟁력이 높은 나트륨과 망간을 주 양극 소재 원료로 사용하는 나트륨 이차전지가 새로운 대안으로 연구되고 있다. 하지만 나트륨 이차전지의 경우, 리튬 이차전지보다 낮은 에너지 밀도를 갖는다는 점에서 명확한 한계가 존재했었다.

이에 대한 해결책으로 무거운 전이금속 대신 산소를 통한 산화·환원 반응으로 양극 소재의 성능을 높이는 연구가 이어졌는데, 산소 산화·환원 반응은 일반적으로 산소 가스 발생, 전압 및 용량 강하 등 비가역적인 현상을 수반해 재료가 빠르게 열화되어 상용화에 어려움이 있었다.

강기석 교수 연구팀은 이 같은 비가역적인 특성이 본질적으로 전기화학 반응 시의 산소 안정화 메커니즘의 편중에서 비롯되었다는 것을 밝힌 것이다. 이를 토대로 연구팀은 안정적인 산소 산화·환원 반응을 통해 우수한 에너지 효율 및 안정적인 수명 특성을 지닌 새로운 나트륨 이차전지용 양극 소재를 설계했다.

강기석 교수는 “리튬 이차전지를 대체할 높은 에너지 밀도의 차세대 이차전지 소재의 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있으며, 향후 나트륨 이차전지 상용화에 기여할 우수한 연구결과”고 밝혔다. 또한, “복잡한 산소 산화·환원 반응에 대해 정확한 이해가 부족하여 선행 연구팀들마다 서로 다른 해석이 발표되어 왔는데, 이번 연구를 통해 정확한 메커니즘 규명을 했다는 점에서 의의가 있다”고 강조했다.

이번 연구는 강기석 교수가 지도 하에 음동건 석박사통합과정 연구원이 진행했으며 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 탄소유기체에너지소재 연구단이 지원했다.