기계공학과 김두호 교수 연구팀이 고려대 화학생명공학과 유승호 교수 연구팀과 공동연구를 진행해 소듐 이온 배터리의 단점을 해결할 실마리를 제시했다. 사진 왼쪽부터 연구 제1저자인 기계공학과 권도형 학생, 고려대 화학생명공학과 박성준 학생, 교신저자인 고려대 화학생명공학과 유승호 교수, 기계공학과 김두호 교수

기계공학과 김두호 교수 연구팀, 소듐 이온 배터리 충전 문제해결 방향 제안
티타늄 금속 도핑해 구조 변화 방지

전기차가 차세대 이동 수단으로 주목받으며, 동시에 이차전지 수요도 빠른 속도로 증가하고 있다. 높아지는 수요에 이차전지 원료인 리튬(Li) 가격도 오르고 있다. 현재 산업계에서는 리튬 이온 전지를 주로 활용하고 있지만 리튬의 매장량이 제한적이고 수요 증가로 인한 가격 상승도 부담스러운 요인이다. 반면 소듐(Na)은 손쉽게 구할 수 있어 리튬 대비 가격경쟁력이 높고, 리튬과 유사한 충/방전 메커니즘을 가진다. 최근에는 세계적인 이차전지 기업이 소듐 이온 배터리 상용화 목표를 천명하고, 연구에 매진하고 있다.

소듐 이온 배터리 구조 변화 막는 ‘잠재적 기둥’ 효과 발견
이렇듯 소듐 이온 배터리의 중요성은 높아지고 있지만, 상용화를 위해서 산적한 문제를 해결해야 한다. 일례로 소듐 이온 배터리는 리튬 이온 배터리 대비 충전 중 극심한 구조 변화가 일어나 상대적으로 급속충전에 더 취약하다. 기계공학과 김두호 교수 연구팀이 고려대학교 화학생명공학과 유승호 교수 연구팀과 공동연구를 진행해 구조 변화 문제를 해결할 실마리를 제시했다. 연구 결과는 세계적인 학술지 <Advanced Science(IF=17.521)>에 지난 2월 공개됐다.

층상구조를 가지는 양극재는 전이금속층과 알칼리금속층 두 가지 층으로 나뉜다. 리튬과 소듐 두 이차전지의 가장 두드러지는 차이는 알칼리금속층 구조에서 나온다. 리튬 이온 배터리의 알칼리금속층은 팔면체 구조를 이루지만, 소듐 이온 배터리는 삼각기둥 형태다. 소듐 이온 배터리는 고전압 영역에서 구조 변형이 일어나 충전이 어렵다. 권도형 학생은 “소듐 이온의 확산특성이 감소해 급속충전이 어렵다는 단점이 존재한다. 이를 해결하기 위해 티타늄 금속을 도핑했다”고 설명했다.

연구팀은 계산 과학 시뮬레이션과 실험을 통해 소듐 이온 배터리에 티타늄(Ti) 금속을 도핑한 결과를 도출했다. 그 결과 티타늄 도핑이 소듐 이온 배터리의 구조변형을 방지해 고전압에서도 안정적인 특성을 보인다는 사실을 확인했다. 김두호 교수는 “소듐 이온 배터리는 고전압 영역에서 삼각기둥 구조에서 팔면체 구조로 변하는데 티타늄이 도핑된 소듐 이온 배터리는 도핑한 티타늄이 산소와 강하게 결합해 다른 전이금속층과 강한 반발력을 가져 구조 변화가 관찰되지 않았다”고 설명했다. 연구팀은 소듐 이온 배터리의 구조 변화를 막는 현상을 잠재적 기둥 효과(Potential Pillar Effect)로 명명했다.

티타늄 금속 도핑을 통해 잠재적 기둥이 발현됐고, 그로 인해 구조 변화가 방지된다.

소듐 이온 배터리는 수명 특성이 짧고, 고전압에서 충전효율이 급감하는 단점이 있는데 티타늄 도핑을 통해 문제해결에 기여할 수 있다. 또한 티타늄은 소듐과 같이 지각 매장량이 풍부하면서도 독성이 적어 가격경쟁력도 높다. 권도형 학생은 “탄소 제로 시대에 전기에너지 수요가 급격히 증가하고 있다. 전기에너지 수요 급증에 대비하기 위해선 발전된 전기를 대용량으로 저장해야 하는데, 소듐 이온 배터리가 활용될 것”이라며 소듐 이온 배터리의 높은 활용도를 설명했다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 김두호 교수 제공

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