서강대학교 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀이 포스텍 화학과 박수진 교수 연구팀과 공동연구를 통하여, 비싼 리튬(Li) 대신 나트륨(Na)을 사용한 배터리를 개발했다. 이 연구 결과는 재료 분야 국제 저명 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces (Impact Factor: 10.383)에 ‘Nonporous Oxide-Terminated Multicomponent Bulk Anode Enabling Energy-Dense Sodium-Ion Batteries' 제목으로 게재되었다.

기존 배터리에 사용되는 리튬 이온 대비 나트륨 이온을 사용하면 배터리의 제조 비용을 크게 낮출 수 있다. 하지만 리튬 대비 크기가 큰 나트륨 이온은 대표적인 음극 물질인 흑연에 삽입되지 않아 사용이 불가능하다. 그 대체재로 안티모니(Sb)를 사용한 음극 소재가 우수한 나트륨 이온 저장 능력으로 주목받고 있지만, 충전 시 구조가 깨지며 배터리 수명 저하가 발생하고 고속 충 방전이 불가능하다는 단점이 있다.

본 연구에서는 알루미늄-안티모니 합금(AlSb)이 가지는 계면 불안정성을 역으로 이용해 다차원의 보호막이 자발적으로 형성되도록 유도하였고, 이를 통해 안티모니의 큰 부피팽창을 억제함과 동시에 고속 충 방전이 가능하게 하였다.

산화물과 합금 층이 1차, 최외곽 탄소층이 이차적인 내부 응력 완화를 도와준다. 특히, 최외곽의 탄소층이 액체 전해질과의 직접 접촉을 억제하여 균일한 SEI (Solid-electrolyte-interphase)가 생기도록 유도하였고, 장수명 특성을 확보할 수 있었다. 또한, 반복적인 충 방전을 통해 최초 Bulk 입자의 구조가 내부에서 나노 입자로 전환되며 충방전 속도를 높일 수 있음을 밝혔다.

본 연구를 통해 단순히 나트륨 이온 배터리용 차세대 음극 소재를 개발하는 데 그치지 않고, 상용화된 양극과 조합하여 높은 에너지/출력 밀도를 가지는 나트륨이온 풀셀(Full-cell)을 개발하여 해당 연구 결과의 상용화 가능성을 입증하였다. 이번 연구에서 개발한 음극 소재의 충 방전 거동을 전기화학적으로 분석하여 차세대 나트륨 이온 배터리용 음극 소재 설계 방향에 대한 비전을 제시했다.

* 논문 링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c01905

* 연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/jryugroup