다아라 매거진 _ 2017.12

기술뉴스

[Technical News] 리튬전지 대체할 나트륨이온전지 양극소재 개발

철 산화물과 신소재 탄소나노튜브 결합 신개념 복합체 합성

[Technical News] 리튬전지 대체할 나트륨이온전지 양극소재 개발 - 다아라매거진 기술뉴스
β-FeOOH/CNT 복합체에 대한 반복적인 전환반응의 개략도


한국연구재단(이사장 조무제)은 명승택 교수(세종대학교) 연구팀이 매장량이 풍부한 철 산화물과 전기 전도도가 높은 신소재 탄소나노튜브를 결합해 나트륨이온전지의 신개념 양극소재 복합체를 개발했다고 밝혔다.

전기자동차 등에 쓰이고 있는 이차전지는 주로 리튬을 원료로 활용한다. 그러나 리튬은 매장량이 많지 않고 가격이 비싸 이를 대체하고자 연구자들은 나트륨이온전지를 개발 중이다. 하지만 나트륨이온전지의 양극소재로 개발된 물질들은 대부분 전기 전도도가 낮아 충전과 방전 속도가 느리거나 안정성 저하의 문제가 있었다.

이에 명승택 교수 연구팀은 신개념 이차전지 양극재로 가장 풍부한 자원 중 하나이자 다른 금속에 비교해 상대적으로 저렴한 철(Fe) 산화물 중 터널 구조를 갖는 베타-산화철 수산화물(β-FeOOH)에 주목했다. 여기에 전기 전도도가 높은 탄소나노튜브(CNT)를 결합해 높은 전류밀도에서도 우수한 방전 용량을 보이는 복합체 산화철(3가) 수산화물/탄소나노튜브(β-FeOOH/CNT)를 합성했다.

연구팀은 합성된 β-FeOOH/CNT를 X선 회절기 등의 분석 장비를 이용해 물성 실험을 진행한 결과, 기존 학계에 보고된 전환반응과 달리 산화철(FeO)과 수산화나트륨(NaOH)이 나오는 새로운 반응 메커니즘을 확인했다. 더불어 탄소나노튜브의 높은 전기 전도성으로 나트륨 저장을 위한 신속한 전환반응이 가능하다는 점과 탄소나노튜브가 β-FeOOH와 복합체를 형성했을 때 뛰어난 전기적 성능을 발휘한다는 점을 규명했다.

명승택 교수는 “이 연구는 가격이 저렴한 철 이온 화합물을 이용해 새로운 전환반응을 하는우수한 양극소재를 개발해 고가의 리튬이온전지를 나트륨이온전지로 대체할 수 있는 기반을 마련한 것”이라며 “앞으로 나트륨이온전지와 전고체전지 등에 충분히 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다. 연구진에 따르면 β-FeOOH 자체로는 전기전도성이 현저히 낮아 성능이 매우 좋지 않다.

이에 명승택 교수팀은 전기전도성을 월등히 향상시키기 위해 탄소나노튜브와의 복합체를 만들고자 했고, 결합력 또한 향상시키기 위해 산처리를 한 탄소나노튜브를 활용해 β-FeOOH/CNT복합체를 형성한 것이다. 그 결과, 수명특성과 고율특성에서 매우 뛰어난 전기화학적 성능을 발휘하는 것이 확인됐고, 전기화학적 반응간의 구조적 변화를 규명하기 위해 여러 고도 장비들이 도입됐다. 이를 통해 예상치 못했던 새로운 반응의 전환 메커니즘을 규명 할 수 있었던 것이다.

한편, 연구팀은 실험 초반에 처음 물질의 성능이 제대로 나타나지 않아 실망했지만, 포기하지 않고 연구를 진행한 결과 전기화학적 반응간의 엑스선 회절을 측정하는 도중 예기치 못한 FeO + NaOH 의 컨버전 반응을 발견해 연구를 더욱 활발하게 진행하는 계기가 됐다고 전했다.

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