나트륨 이차전지 상용화의 걸림돌이었던 용량문제를 흑린(Black Phosphorus)을 이용한 음극소재로 해결할 수 있는 기술이 개발됐다.

미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)은 스탠포드대학교 재료공학과 이추이(Yi Cui, 교신저자) 교수팀에서 박사 후 연구원 연수중인 이현욱 박사가 공동 제1저자로 연구에 참여해 흑린을 이용한 고용량 나트륨 이차전지 음극 물질 개발에 성공했다고 밝혔다.

나트륨 이차전지는 현재 이차전지 시장의 대부분을 차지하고 있는 리튬이차전지(LIB)와 비슷한 원리로 구동되면서 희소금속인 리튬에 비해 매장량이 풍부해 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 그러나 충방전시 전압, 용량, 수명이 현저하게 떨어진다는 단점을 가지고 있어 상용화를 위해 고용량 나트륨 이차전지 전극 소재 개발이 요구되고 있다.

연구팀은 흑린과 그래핀(Graphene)을 겹겹이 구성하여 나트륨 이온이 반응하기에 적합한 구조를 만들었다. 흑린은 결정 구조와 겉모습이 흑연과 비슷하며, 그래핀과 같은 2차원 반도체 소자 재료로 많은 연구가 이뤄지고 있는 소재다.

연구결과 기존의 나트륨 이차전지 음극 소재로 연구되고 있는 탄소류 대비 약 8배 향상된 2,500mAh/g의 용량을 나타냈다. 이는 현재 리튬 이차전지에 상용화되고 있는 흑연 음극에 비해서도 약 7~8배 높은 값이다.

이현욱 연구원은 “본 연구는 나트륨 이차전지에 적합한 음극 물질을 개발함으로써 나트륨 이차전지 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”며 “다양한 전지 내에서의 실제 반응을 관찰에 고배율 투과전자현미경을 통한 효과적인 방법을 제시한 것에 의미가 있다”라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 지원하는 학문후속세대양성사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 나노과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’온라인판에 9월7일 게재됐다.