울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀이 나트륨 이온 전지 수명을 늘리는 데 치명적인 걸림돌이었던 미세구조 뒤틀림 현상(얀-텔러 효과)을 억제하는 데 성공했다고 밝혔다.

29일 UNIST에 따르면 나트륨 이온 전지는 기존 배터리의 리튬 성분을 값싸고 풍부한 나트륨으로 대체한 차세대 전지다.

그런데 전지 양극으로 적합한 망간계 소재(망간이 포함된 프러시안블루 구조 소재)는 미세구조 뒤틀림이 심하다고 알려져 있다.

▲ 반응 속도가 다른 두 종류의 전해질을 사용한 전지의 수명 특성을 나타낸 그래프.

연구팀은 수용성 고농도 전해질을 사용해 배터리 양극 소재 내부의 화학 반응 속도를 조절하는 새로운 방법으로 미세구조 변형을 억제했다.

수용성 고농도 전해질을 쓰면 유기 저농도 전해질을 쓸 때보다 화학반응 속도가 빨라진다.

그 결과 배터리 용량 감소 현상이 줄고 수명은 늘었다.

연구팀은 이 같은 성능 향상이 빠른 반응 속도로 전하 재배치 현상이 일어났기 때문이라고 설명했다.

전하가 불균등하게 배치돼 미세 구조가 찌그러졌었는데, 전하 재배치로 인해 미세 구조가 찌그러지는 대신 더 크게 확장된 것이다.

미세 구조가 찌그러지면 나트륨이 구조 안으로 출입할 때 저항이 증가하게 돼 배터리 용량 감소와 수명 저하 문제가 발생한다.

연구팀은 포항방사광가속기 실험을 분석해 이러한 전하 재배치 과정을 이론적으로도 제시했다.

이현욱 교수는 "이번 연구로 반응 속도를 높이는 전해질 개발과 같은 새로운 나트륨 이온 전지 안정화 연구의 방향성을 제시했다"며 "다른 고성능 이차 전지를 개발하는 데도 도움이 될 것"이라고 말했다.

연구에는 포항가속기연구소(PAL) 정영화 박사와 싱가포르 난양공대 이석우 교수팀도 참여했다.

연구 결과는 기능성 소재 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 10일 자로 공개됐다.

연구는 UNIST 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진연구사업, 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지평가원 에너지인력양성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

과학팀  press@jeonpa.co.kr

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