세종대학교 나노신소재공학과의 명승택 교수 연구팀이 하드카본 입자 내 빈 공간에서 성능저하의 원인이 되는 반응이 나타나며, 충·방전 시 표면에 절연층의 형성이 전지 성능을 감소시킨다는 것을 밝혀냈다.

24일 세종대에 따르면, 명 교수 연구팀은 이러한 성과를 바탕으로 국제 학술지(Advanced Energy Materials)에 새로운 메커니즘을 발표했다.

이에 따르면, 리튬이온전지는 휴대용 모바일 기기 및 전기자동차 시장 등에 수요가 폭증하고 있지만 리튬 자원은 매우 한정적이며, 몇몇 국가에서만 분포해 우리나라에서는 전적으로 수입에 의존하고 있다. 이러한 불균형으로 인해 최근 리튬 원자재 가격 변동 및 공급 안정성 문제가 제기되고 있다.

차세대 전지로 각광 받고 있는 나트륨이온전지는 풍부한 자원량과 광범위한 분포가 특징으로, 더 우수한 경제성 및 접근성을 보인다. 또한, 제조공정이 리튬이온전지와 유사해 기존의 제조 인프라를 활용할 수 있다.

 
하지만 기존 대부분의 리튬이온전지에서 사용해 왔던 흑연(graphite) 음극을 적용할 수 없어, 적절한 대체재의 대한 연구가 필요하다. 현재 가장 많이 사용되는 나트륨이온전지용 음극은 비정질 소재인 하드카본(hard carbon)으로 흑연에 비해 우수한 나트륨 저장용량을 보이지만, 고속 충전 시 성능이 저하된다는 단점이 있다.

하드카본 음극의 경우, 나트륨이온이 하드카본의 무질서한 그래핀 층사이로 삽입(intercalation)시 두가지 형태의 전압변화특성을 나타낸다. 우선 완만한 기울기를 가지고 약 0.1V(금속나트륨 전위기준)까지 도달하게 되는데, 이 반응은 빠른 속도로 일어난다. 이후 계속적인 나트륨이온의 삽입반응에 의해 전위평탄영역을 나타내며, 이는 약 0.01V까지 진행되지만 확산속도는 현저히 저하된다.

이러한 현상을 실시간 라만분광기를 이용해 관찰한 결고, 연구팀은 0.1V 이상의 영역에서는 탄소 G-밴드의 가역적 변화를 관찰했다. 이는 강한 계면 전하 전달 저항의 변화와 나트륨이온 확산 속도의 변화에 의한 가역적인 나트륨이온의 삽입·탈리 반응을 나타낸다.

 
반면 0.1V 이하의 저전압영역 전위평탄영역에서는 나트륨이온 확산성의 두드러진 감소를 보였다. 나트륨이온이 무질서한 그래핀층으로의 삽입반응이 점점 어려워지는 반면, 무질서하게 분포된 그래핀의 폐기공(closed pore) 내부로 삽입돼 나트륨이온이 가역적으로 탈리되기 어렵다는 것을 증명했다.

결국, 계속적인 나트륨이온의 삽입 및 탈리반응에 의한 SEI층이 점진적으로 두꺼워지고, 이는 저전압에서의 완전한 나트륨이온의 삽입반응을 지연시키고 일부는 그래핀의 폐기공 내부에서 탈리가 불가능해져 금속화된 나트륨 군집형성에 의한 용량 감소를 초래한다. 이러한 현상은 고속으로 충·방전시 현저하게 관찰된다.

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

[ 경기신문 = 고현솔 기자 ]