구조적 안정성 높은 나트륨 이온 배터리 개발

작성일 2025-05-07

전자공학과 유재수 교수 연구팀이 전극과 전해질을 새롭게 설계해 구조적 안정성과 성능을 모두 갖춘 고내구성 나트륨 이온 배터리 기술을 개발했다.

전자공학과 유재수 교수 연구팀, 전극·전해질 개선
배터리 성능과 구조적 안정성 향상

전자공학과 유재수 교수 연구팀이 전극과 전해질을 새롭게 설계해 구조적 안정성과 성능을 모두 갖춘 고내구성 나트륨 이온 배터리 기술을 개발했다. 이번 연구는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지 『Advanced Energy Materials(IF=24.4, JCR Top 5%)』 4월호에 게재됐다.

전극·전해질의 시너지로 기존 한계 극복
스마트폰, 노트북 등 최신 전자제품에는 대부분 리튬 이온 배터리가 사용된다. 작고 가벼우면서도 에너지를 많이 저장할 수 있기 때문이다. 하지만 리튬의 제한적인 매장량과 높은 가격으로 나트륨 이온 배터리로 대체하고자 하는 시도가 이뤄지고 있다. 나트륨은 매장량이 풍부하고, 저렴해 비용 부담이 적어 자원을 확보하기 쉽기 때문이다.

그러나 나트륨은 이온전달속도가 느리고, 충·방전 시 계면 불안정성으로 성능 저하가 빠르다는 한계가 있다. 유재수 교수 연구팀은 이러한 기술적 난제를 극복하기 위해 이종 구조 전극 설계와 전해질을 개선하는 새로운 접근법을 제시했다.

연구팀은 전극구조를 계면 일함수(ΔWf) 차이가 큰 이종구조(M/-(OH)x)로 제작해 강한 내부전계를 유도했다. 내부 전계는 전하의 재분배를 촉진하고, 전자의 이동을 빠르게 만들어 계면 반응성을 높였다.

또한 기존의 에스터계 전해질 대신, 에테르 기반 전해질(DME)을 적용해 나트륨 이온의 탈용매화 에너지 장벽을 낮추고 빠른 이온 전달을 촉진했다. 전기화학임피던스분광법을 사용해 분석한 결과 기존 에스터계 전해질에 비해 전하이동과 계면 이온 이동에 대한 활성화 에너지가 낮아졌다. 유재수 교수는 “전극, 전해질을 동시에 최적화한 결합 시스템이 이온 전달을 촉진하는 데 효과적임을 나타낸다”고 강조했다.

새로 개발한 전극과 전해질을 조합해 실제 실험도 진행했다. ‘5.0 A g⁻¹’ 조건에서 1,000회 이상 충·방전 후에도 높은 수준의 가역 용량을 유지했고, ‘10.0 A g⁻¹’의 조건에서도 용량을 유지하는 등 뛰어난 내구성을 입증했다.

유재수 교수는 “전극구조와 전해질이 시너지를 일으켜 계면 저항을 효과적으로 개선하고, 구조적 안정성을 높였다”라며 “향후 차세대 휴대용 전자 장치 및 그리드 저장장치에도 적용할 수 있는 기술로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 대학중점연구소 사업의 지원으로 진행됐다.

유재수 교수 연구팀은 후속 연구를 통해 차세대 휴대용 전자 장치 및 그리드 저장장치에도 적용할 기술로 발전시킬 계획이다.

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