기계공학과 김두호 교수 연구팀이 소듐 이온 배터리의 단점인 낮은 에너지 밀도를 해결할 실마리를 제시했다. 그림 설명 : 연구팀은 동일 소듐 이온 배터리에 각기 다른 전이 금속을 치환해 가역적 산소 산화 환원 반응을 위한 설계 전략을 제시했다.

기계공학과 김두호 교수 연구팀, 양극 구조 붕괴 늦추는 ‘잠재적 기둥’ 현상 발견
“전이 금속의 일반화된 특성 및 소듐 이온 배터리의 단점 극복 방향 제시해”

기계공학과 김두호 교수 연구팀이 계산과학 기법을 활용하여 소듐 이온 배터리의 단점으로 지적된 낮은 에너지 밀도를 해결할 실마리를 제시했다. 더 나아가 성능 개선과 연관된 새로운 현상인 ‘잠재적 기둥(Potential Pillar)’ 현상을 발견하고 이론화했다. 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 학술지 <Advanced Energy Materials(IF 29.698)> 7월 27일자 게재됐다. 김두호 교수 연구팀은 “이번 논문은 연구팀이 독자적으로 제시한 이론이 담겨 더욱 의미 있는 결과”라고 입을 모아 얘기했다.

산소 산화환원이 유발하는 이력 현상의 기원 탐구
휴대용 전자기기 다수가 가볍고, 전압이 높은 리튬 이온 배터리를 주요 전력원으로 활용하고 있다. 그러나 최근 산업계와 학계에선 리튬 이온 배터리를 대체할 새로운 배터리 연구에 매진하고 있다. 리튬의 매장량이 제한적이기 때문이다. 이에 많은 연구진이 대안으로 소듐을 활용한 배터리 연구에 집중하고 있다. 소듐은 리튬에 비해 매장량이 많아 보다 저렴하다는 장점을 지닌다.

소듐 이온 배터리는 리튬보다 원자의 반지름이 커 리튬 이온 배터리와 동일 부피를 비교했을 때 사용할 수 있는 배터리 용량이 상대적으로 낮다. 이재운 학생(기계공학과 석사 4기)은 “소듐 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 산소 산화 환원 반응을 활용하기 좋아, 전이 금속의 한계를 산소 산화 환원 반응으로 극복할 수 있다”고 말했다. 또한 “최근 연구에서 전이 금속과 산소의 산화 환원 반응이 동시에 일어나면 기존보다 월등히 높은 전극 용량과 에너지 밀도를 얻을 수 있다는 결과도 밝혀졌다”며 소듐 이온 배터리의 강점을 설명했다.

하지만 산소의 산화환원 반응은 물질의 안정성을 떨어뜨리고, 충전과 방전이 반복되는 과정에서 층상 구조가 붕괴함에 따라 전기화학적 이력 현상이 발생한다는 단점이 있다. 박상언 학생(기계공학과 석사 4기)은 “산소 산화환원 반응의 현실화를 위해서는 전압 이력 현상을 극복해야 한다”라고 덧붙였다. 김두호 교수 연구팀은 산소 산화환원이 유발하는 이력 현상의 기원과 해결책을 찾기 위해 연구를 설계했다.

사진 왼쪽부터 기계공학과 김두호 교수, 박상언, 이재운 학생

각기 다른 전이 금속 치환해 일반화된 특성 제시, ‘잠재적 기둥’ 현상도 발견
연구팀은 동일 소듐 이온 배터리 층상구조에 각기 다른 전이 금속을 치환했다. 이재운 학생은 “어떤 요소가 이력 현상을 유발하는지 찾기 위해 동일 산화물에 티타늄, 망간, 니켈을 각각 치환해 성질을 비교했다”고 설명했다. 김두호 교수는 “이번 연구는 산소 산화환원 반응을 안정적으로 사용할 수 있도록 기원을 밝히는 일로, 여러 전이 금속을 치환한 결과로 일반화된 특성을 제시해 가치가 높다”고 강조했다.

특히 이번 연구에서 ‘잠재적 기둥(Potential Pillar)’이라는 새로운 현상을 발견하기도 했다. 잠재적 기둥 현상은 소듐 이온 배터리에 티타늄을 치환했을 때 일어난다. 산소 산화환원 반응으로 소듐 이온이 완전히 붕괴했음에도 산소 이합체가 형성되지 않는다는 사실을 발견했다. 박상언 학생은 “티타늄을 치환하면 그 주변의 산소가 화학적으로 강하게 결합한다. 이에 따라 티타늄 주변의 산소는 산화환원 반응이 적게 일어나 층상 구조의 붕괴를 막아주는 잠재적 기둥을 형성하게 된다”고 말했다.

일반적인 배터리는 충전과 방전을 반복하는 과정에서 배터리 내부의 양극 구조가 붕괴한다. 하지만 티타늄을 치환한 배터리는 티타늄과 산소의 결합으로 잠재적 기둥이 형성돼 양극 구조 붕괴를 늦춘다. 김두호 교수는 “잠재적 기둥 현상은 전이 금속층 사이에 강한 정전기적 반발력을 유발해 층간 산소와 산소의 이합체 형성을 억제하고 열역학적 관점에서 단상 반응을 일으킨다”고 설명했다.

니켈을 치환한 배터리는 소듐 이온이 완전히 붕괴했을 때 기존 층상구조보다 상대적으로 짧은 산소 이합체가 형성됐다. 이재운 학생은 “니켈이 함유된 소듐 이온 배터리는 짧은 산소 이합체가 형성됨을 확인했고, 이러한 결과는 충전 과정에서 다상 반응으로 이어진다는 사실을 발견했다”고 말했다. 이어 “이번 연구를 통해 세 가지 전이 금속을 활용해 산소 산화환원 반응의 기원을 설명했다. 배터리 용량이 적은 소듐 이온 배터리의 단점을 산소 산화환원 반응으로 극복할 실제적 가능성을 제시했다”며 연구 의의를 밝혔다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr

ⓒ 경희대학교 커뮤니케이션센터 communication@khu.ac.kr