안전성 높은 다중음이온계 이차전지 양극소재의 에너지 밀도 혁신을 위한 도핑 기술 개발
강용묵 교수팀 연구결과, 재료화학분야 세계적 학술지 Journal of the American Chemical Society 게재
▲ 신소재공학부 강용묵 교수
강용묵(신소재공학과, KU KIST 융합대학원) 교수 연구팀이 층상구조 산화물과 함께 대표적인 나트륨 이차전지용 양극소재인 NASICON계 Na3V2(PO4)3의 용량을 층상구조 산화물 양극에 필적한 수준으로 향상시킬 수 있는 방법을 개발했다.
이번 연구 결과는 재료화학 분야의 세계적 학술지인 Journal of the American Chemical Society지에 10월 19일 온라인 게재됐다.
- 논문명: Activating a Multielectron Reaction of NASICON-Structured Cathodes toward High Energy Density for Sodium-Ion Batteries
전기자동차(EV)용 리튬 이차전지의 에너지 밀도 향상에 있어서 핵심 부품으로 생각되는 양극 소재에 있어서 최근 상대적으로 낮은 에너지 밀도에도 불구하고, 안전성 측면에서 유리한 인산철 양극소재(LiFePO4)를 포함한 다중음이온(Polyanion)계 양극소재에 대한 관심이 전세계적으로 커지고 있다. 향후 EV 시장의 폭발적 성장으로 인한 리튬 광물의 부족에 대한 우려로 인해 그 대안으로 관심을 모으고 있는 나트륨 이차전지에 있어서도 리튬 이차전지와 동일하게 층상구조 산화물 양극이 다른 구조를 가지는 양극 소재에 비해 높은 에너지 밀도를 보여왔던 것이 사실이다.
강용묵 교수팀은 제1원리 계산을 활용하여 크롬(Cr)이 Na3V2(PO4)3에 도핑(Doping)될 시 바나듐(V)에서 더 많은 산화/환원 반응을 유발함으로써 해당 소재의 용량 향상이 가능함을 이론적으로 증명했고, 상온에서의 전기화학 테스트를 통해 기존 소재 대비 40%이상 용량이 향상되고, -20oC에서 행해진 저온 테스트에서도 기존 소재 대비 에너지밀도, 안정성이 모두 개선되는 결과를 확인했다.
이같은 결과에 대해 강용묵 교수는 "현재 전기 자동차의 안전성이 점차 강조되면서 리튬 이차전지 뿐 아니라 차세대 전지인 나트륨 이차전지에서도 기존의 층상구조 산화물 양극 외에 다중음이온계 양극에 대한 관심이 커지고 있다. 이번 연구 결과는 안전성에서는 우위를 보이지만 에너지밀도에서의 단점이 두드러진 다중음이온계 양극 소재의 에너지 밀도를 층상구조 산화물 양극에 필적한 수준으로 만들 수 있는 하나의 방법론을 제시했다는데 큰 의의가 있다. 나트륨 이차전지 뿐 아니라 리튬 이차전지에서도 인산철 양극소재와 유사한 안전성을 보이면서 에너지밀도에서는 현재 각광받는 NCM등의 층상구조 산화물 양극에 필적하는 특성을 보일 수 있는 양극 소재에 대한 연구를 계속 진행 중”이라고 말했다.
강용묵 교수팀의 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 사업, 미래소재디스커버리 사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.
커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)
출처 고대뉴스
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