한국해양대 강준 교수팀, 초고성능 나트륨 이온전지 음극소재 개발

한국해양대 강준 교수팀, 초고성능 나트륨 이온전지 음극소재 개발

국제학술지 'ACS Applied Materials & Interfaces' 표지논문 게재

(부산=뉴스1) 박채오 기자 | 2020-09-11 14:31 송고

ACS 응용물질 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces) 표지논문(한국해양대학교 제공)© 뉴스1

한국해양대학교는 강준 기관공학부 교수 연구팀(김한빈 박사 과정생, 김대영 석사 과정생)이 '황이 도핑 된 3차원 구조의 포도송이 탄소 구조체'를 개발해 '초고성능 나트륨 이온전지 음극소재' 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

해당 연구는 나노기술 분야 국제학술지 'ACS 응용물질 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces)' 표지논문에 선정됐다.

 

나트륨 이온전지는 최근 수요와 가격이 급등 중인 리튬이온전지를 대체하기 위해 활발하게 연구되고 있는 차세대 에너지저장장치 중에서 저가로 주목받는 장치다.

나트륨은 지구상에서 네 번째로 많은 매장량이 보고되고 있으며, 미국에서만 나트륨전구체가 230억톤이 매장돼 있어 리튬의 1/30에 해당하는 가격이 형성돼 있다.

하지만 나트륨은 리튬보다 원자크기가 크고 무거워 리튬이온전지에 사용되는 흑연을 그대로 적용하면 배터리 사용시간이 리튬이온전지의 1/10로 크게 감소하게 된다.

이러한 단점을 극복하기 위해 다양한 재료가 연구되고 있지만 출력특성이나 수명특성에서 만족되지 못하고 있다. 특히 그래핀과 같은 고가의 소재를 사용함으로써 상용화에도 어려움이 있는 실정이다.

강준 교수 연구팀은 황이 포함된 3D구조의 포도송이 탄소 구조체를 합성함으로써 이러한 문제를 극복했다. 개발된 소재는 포도송이 구조를 갖고 있으며, 이 구조는 전해질 속의 나트륨 이온이 재료 내부로 쉽게 들어올 수 있도록 넓은 표면적을 제공해주는 역할을 하게 된다.

또 포도알처럼 직경이 작은 탄소볼은 재료 내부로 들어온 나트륨의 확산 거리를 짧게 만들어 나트륨의 재료 내 확산을 돕게 된다. 이러한 두 효과에 의해 매우 높은 충방전 전류에서도 매우 오랜 배터리 사용시간을 확보하게 됐다.

리튬이온전지의 경우 10 A/g의 전류만 걸려도 가역용량이 10 mAh/g으로 크게 하락하는 반면, 강준 교수 연구팀의 나트륨 이온전지용 소재는 이보다 30배 높은 300 mAh/g을 보여줬다.

특히 100 A/g의 초 고전류에서도 100 mAh/g 이상의 매우 높은 가역용량을 보여주기도 했다. 그밖에 3000 싸이클 이상의 슈퍼사이클 안정성을 나타냈으며, 첫 사이클 쿨롱효율도 75% 이상을 보임으로써 상용화 조건도 만족할 수 있게 됐다.


chego@news1.kr

 

 

한국해양대 강준 교수, 재료 분야 권위지 ‘Carbon’ 커버 선정

“저가 탄소 재료만으로 압도적 성능의 나트륨 이온전지 음극소재 개발”

손민지기자 | 2020.07.31 10:14:51

강준 교수. (사진=한국해양대 제공)

 

한국해양대학교는 강준 기관공학부 교수가 나트륨 이온전지 음극재료 연구성과로 재료분야 권위지 ‘Carbon’(Impact Factor 8.8) 표지논문에 선정됐다고 30일 밝혔다.

‘Carbon’의 프런트 표지로 선정된 논문은 그래핀이나 차세대 물질을 전혀 사용하지 않고 저가의 탄소재료만으로도 리튬이온전지를 능가하는 압도적 성능의 나트륨 이온전지용 음극소재 개발에 성공한 연구결과다. 지난 19일 온라인에 실렸으며, 오는 10월 커버 이미지와 함께 정식 출판될 예정이다.

강준 교수 연구팀이 개발한 소재는 초고속으로 충전이 가능하고 대출력용으로 사용해도 상당한 사용시간을 보증할 수 있게 됐다. 또 첫 사이클 쿨롱효율(전기량을 근거로 한 배터리의 효율)이 80% 이상을 달성해 상용화 기준도 만족할 수 있게 됐다.

이 소재는 100A/g의 높은 방전전류에도 100mAh/g의 가역용량을 달성하고, 100A/g 전류로 충·방전을 반복해도 4만 사이클 이상의 안정적인 슈퍼 사이클 수명을 갖는다. 현재 초고속 충전기의 충전 전류가 모바일은 2~5A, 테슬라 슈퍼 충전기의 경우 20~35A다.

전기차 충전기보다 큰 대용량 전류(100A/g)로 4만번 이상 방전·충전해도 성능이 떨어지지 않는다는 것이다. 일반적으로 리튬이온전지가 높은 방전 전류에서 사용할 경우 배터리 사용시간이 줄고 배터리 수명도 단축되는 문제가 있지만, 개발된 소재는 대출력으로 사용해도 오랜 사용시간과 획기적인 수명을 보장하게 된 것이다.

강 교수는 “전기자동차나 선박 등 대출력 전기가 필요한 설비에 매우 유용할 것으로 보인다”라며 “기술이전을 통해 기업에서 상용화하는 방법을 계획하고 있다”고 밝혔다.

한편, 강준 교수는 이미 지난 2018년 나노분야 권위지인 ‘Small’(Impact Factor 9.6), 2019년 재료화학분야 권위지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’(Impact Factor 10.73)에 이어 올해 재료분야 권위지인 ‘Carbon’(Impact Factor 8.8) 표지를 장식함으로써 3년 연속 표지논문에 선정이 됐다. 이차전지 음극재 관련한 우수한 연구성과를 지속적으로 발표 중이다.

 

www.cnbnews.com/news/article.html?no=455428#openSns