명승택 세종대 교수 연구팀, 나트륨이온전지용 하드카본 음극재 성능저하 메커니즘 확보

매일일보 = 권영현 기자  |  세종대학교는 명승택 나노신소재공학과 교수 연구팀이 하드카본 입자 내 빈 공간에서 성능저하 원인이 되는 반응이 나타나고, 충‧방전 시 표면에 절연층의 형성이 전지 성능을 감소시킨다는 것을 발견했다고 24일 밝혔다.

차세대 전지로 주목받는 나트륨이온전지는 풍부한 자원량과 광범위한 분포가 특징으로 우수한 경제성과 접근성을 보이고 있다. 제조 과정이 리튬이온전지와 유사해 기존의 제조 인프라를 활용할 수도 있다.

다만 나트륨이온전지는 기존 대부분의 리튬이온전지에서 사용했던 흑연 음극을 적용할 수 없어 적절한 대체재 연구가 필수적이다. 현재 가장 많이 사용되는 나트륨이온전지용 음극은 비정질 소재인 하드카본이다. 하드카본은 흑연 대비 우수한 나트륨 저장용량을 보이지만 고속 충전 시 성능이 저하된다는 단점이 있다, 세계적으로 이러한 단점을 극복하기 위한 연구가 이뤄지고 있다.

하드카본 음극은 나트륨이온이 하드카본의 무질서한 그래핀 층 사이로 삽입 시 두가지 형태의 전압변화특성을 나타낸다. 첫 번째는 완만한 기울기를 가지고 금속나트륨 전위기준 약 0.1V까지 도달한다. 이후 나트륨이온의 삽입반응에 의해 전위평탄영역을 나타내며 이는 약 0.01Vᄁᆞ지 진행되지만 나트륨이온의 확산속도는 현저히 저하된다.

연구팀은 이 현상을 실시간 라만분광기를 이용해 관찰한 결과 0.1V 이상 영역에서는 탄소 G-밴드의 가역적 변화를 관찰했다.이는 강한 계면 전하 전달 저항의 변화와 나트륨이온 확산 속도의 변화에 의한 가역적인 나트륨이온의 삽입‧탈리 반응을 보인다.

반면 0.1V 이하의 저전압영역 전위평탄영역에서는 나트륨이온 확산성의 두드러진 감소를 보였다. 나트륨이온이 무질서한 그래핀층으로의 삽입반응이 점점 어려워지지만, 무질서하게 분포된 그래핀의 폐기공 내부로 삽입돼 나트륨이온이 가역적으로 탈리가 되기 어렵다는 것을 증명했다.

계속적인 나트륨이온의 삽입과 탈리 반응에 의한 고체막(SEI) 층이 점진적으로 두꺼워지고 이는 저전압에서의 완전한 나트륨이온 삽입반응을 지연시킨다. 일부는 그래핀의 폐기공 내부에서 탈 리가 불가하게 돼 금소고하된 나트륨 군집형성에 의한 용량 감소를 초래한다.

이런 현상의 고속으로 충‧방전 시 현저하게 관찰된다.

명 교수는 “이런 메커니즘을 바탕으로 향후 개선된 표면 및 전해질 연구를 통해 하드카본의 성능저하를 개선하고 해결책을 제시해 고성능의 나트륨이온전지 상용화에 기여하겠다”고 말했다.

이번 연구는 국제 SCI급 학술지인 Advanced Energy Materials에 게재됐다.