College Of Engineering
서울공대 이야기
서울대 재료공학부 강기석 교수팀,
차세대 나트륨이온전지용 고출력 흑연 음극재 개발
- 이온-용매 공동삽입 메커니즘으로 저비용, 환경친화적, 고에너지 흑연 음극재 개발


 ▲서울대 재료공학부 강기석 교수(좌), Zhenglong Xu 박사(우)
 
서울대 공대(학장 차국헌)는 재료공학부 강기석 교수팀이 값싼 흑연을 이용해 차세대 나트륨이온전지용 고출력 음극재 개발에 성공했다고 1일 밝혔다. 이번에 개발된 전지는 현재까지 보고된 나트륨 전지 중 가장 높은 출력 밀도를 나타낸다.
 
지구상에 풍부한 나트륨을 이용하는 나트륨이온전지는 리튬이온전지를 대체할 차세대 에너지 저장 기술로 각광받고 있다. 이에 연구팀은 값싼 흑연을 이용하면서도 빠른 충전/방전 속도를 구현할 수 있는 흑연 음극재를 적용한 나트륨이온전지 기술을 제안했다.
 
연구팀은 먼저 기존에 나트륨 이온이 단독으로 흑연 층간에 삽입되는 반응이 열역학적으로 불안정하다는 한계를 돌파했다. 나트륨 이온이 이온-용매 공동 삽입 메커니즘을 통해 흑연 층간에 삽입될 수 있음을 입증했다.
 
또한 공동 삽입 반응의 전압을 최대 0.38V까지 조절함으로써 흑연 기반 나트륨이온전지의 에너지밀도를 극대화했다. 그 결과 연구팀이 개발한 신규 전지는 3,863 W kg-1라는 매우 높은 파워밀도를 지녔으며, 1000회 이상 반복된 충전/방전에도 사이클 당 0.007%의 미미한 용량 감소만을 보여, 현재까지 보고된 나트륨이온전지 중 가장 좋은 성능을 나타냈다.
 
강기석 교수는 “흑연 전극을 이용한 나트륨이온전지를 개발하며 유기물 소재인 유기 용매가 탄소 내 삽입되는 흥미롭고도 중요한 현상을 발견했다”며, “이를 활용한 공동 삽입 메커니즘이 나트륨이온전지 개발의 새 방향을 제시할 것”이라고 강조했다.
 
이번 연구결과는 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 6월 13일자로 온라인 게재됐으며, 저널의 하이라이트(Editors’ Highlights) 페이지에 우수 연구 성과로 소개됐다.
 
한편 이 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(탄소유기체에너지소재 연구단)의 지원으로 수행됐다.
 
▲ 흑연 층간 이온-용매 공동삽입 메커니즘 모식도).
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