5년 사용해도 성능 93% 유지되는 '나트륨 배터리' 소재 찾았다

장수명 나트륨 배터리의 음극소재 원리를 밝힌 주역들. 왼쪽부터 육종민 KAIST 신소재공학과 교수, 박재열, 박지수 연구원. 사진제공 KAIST

5년 이상을 사용해도 충전 및 방전 성능이 초기의 93%까지 유지되는 새로운 배터리의 전극 소재를 국내 연구팀이 발견했다. 작동 원리까지 자세히 밝혀, 고성능 장수명 배터리 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

KAIST는 육종민 신소재공학과 교수와 박재열 연구원팀이 현재 널리 쓰이는 리튬이온 배터리의 대안으로 연구되고 있는 ‘나트륨(소듐) 배터리’의 전극 소재로 황화구리를 제안하고, 그 원리까지 밝혔다고 30일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 6월호에 발표됐다.

나트륨 배터리는 지구에 풍부한 원소인 나트륨을 활용하는 배터리다. 보다 희귀한 재료인 리튬과 니켈, 코발트를 이용하는 리튬이온 배터리에 비해 저렴한 가격으로 에너지를 저장할 수 있어 큰 주목을 받고 있다. 

하지만 소재에 발목을 잡혀 그 동안 개발이 더뎠다. 두 개의 전극 가운데 나트륨 양이온을 저장하는 역할을 하는 음극에 사용될 마땅한 소재가 없었다. 리튬이온 배터리에 사용되던 음극 재료인 흑연은 얇은 층이 겹친 구조로, 두 층 사이에 리튬 이온이 삽입되면서 저장된다. 리튬보다 원자가 큰 나트륨은 시용할 수 없는 구조다. 합금을 만들거나 저장물질이 환원되는 반응을 거치는 물질을 쓰는 방법도 있지만, 반응시 부피가 너무 커지고, 이 과정에서 결정 구조가 변하면서 입자가 부서져 성능이 빠르게 떨어진다는 단점이 있었다.

육 교수팀은 황화구리를 이용하면 충방전 뒤에도 안정적인 상태를 유지해 저장 성능이 떨어지지 않는다는 사실을 발견했다. 전자현미경을 이용해 관찰한 결과, 입자 결정 사이에 일종의 경계면이 형성된다는 사실을 확인했다. 이 경계면이 반응시 입자의 결정 구조가 무분별하게 팽창하는 현상을 막아 입자의 분쇄를 방지한다는 사실도 알 수 있었다.

황화구리 입자의 크기나 형상에 따른 저장 능력의 차이도 비교했다. 그 결과 크기나 형상과 상관없이 나트륨 저장 능력이 높다는 사실을 발견했다. 별다른 최적화를 거치지 않은 수십~수백 μm(마이크로미터, 1 μm 는 백만 분의 1m)의 황화구리 입자를 사용할 경우, 흑연을 사용한 기존 배터리보다 용량이 17% 늘었다. 수명은 2000번을 충방전해도 저장용량이 초기의 93%까지 유지될 정도로 길었다, 연구팀은 "매일 1번씩 충방전을 해도 5년 이상 초기 성능 그대로 사용할 수 있는 수준"이라고 밝혔다.

황화구리는 지구에 풍부한 황과 구리를 이용해 재료 수급 측면에서도 유리할 것으로 전망된다. 육 교수는 “다른 나트륨 저장 소재에 비해 경쟁력이 높다"며 "고성능 나트륨 배터리 상용화를 앞당길 것”이라고 말했다.

[윤신영 기자 ashilla@donga.com]