값싸고 성능 향상된 나트륨 배터리... ‘전기차 시대’ 앞당겨

기후변화가 심각해지면서 내연기관 자동차 대신 친환경 전기차에 대한 수요가 증가하고 있다. 하지만 증가하고 있는 수요와 달리 가격은 여전히 높아 접근성은 떨어진다. 특히 전기차의 핵심 부품이자 차량 원가의 30% 가량을 차지하고 있는 배터리 비용은 가격 하락 요인이 잘 보이지 않는다.

한국과학기술연구원 에너지저장연구단 김상옥 박사팀은 이러한 문제를 해결할 수 있는 최신 배터리 기술 개발에 성공했다.

김 박사팀은 리튬이온 배터리보다 저렴한 나트륨이온 이차전지에 적용할 수 있는 음극 소재를 개발했다. 이번에 개발된 소재는 성능 향상과 가격 인하를 동시에 이룬 것으로 현재 리튬배터리에 상용화돼 있는 흑연 음극 소재보다 1.5배 많은 전기를 저장할 수 있으며 충·방전을 200회 반복해도 성능 감소가 전혀 없는 소재다.

나트륨이온 이차전지는 리튬보다 500배 이상 풍부한 지각 보존량을 가지는 나트륨을 기반으로 만든 이차전지로, 리튬이온 이차전지보다 40% 저렴해 차세대 이차전지로 주목받고 있다.

하지만 나트륨이온은 리튬이온보다 무겁고 커서 현재 리튬이온전지에서 널리 사용되고 있는 흑연과 실리콘 소재에 이온을 안정적으로 저장할 수 없어 새로운 고용량의 음극 소재를 개발해야 한다.

KIST 연구진은 대용량 음극 소재 후보로 주목받고 있는 금속 황화물 소재인 이황화몰리브덴(MoS2) 소재를 활용했다. 이황화몰리브덴은 많은 전기를 저장할 수 있지만, 전기 저항이 크고 전지가 동작할 때 발생하는 소재의 구조적 불안정성 때문에 사용되지 못하고 있었는데 김상옥 박사팀은 저가·친환경 재료인 실리콘 오일을 이용해 세라믹 나노코팅층을 만들어 이를 극복했다.

이황화몰리브덴 전구체와 실리콘 오일을 섞어 열처리하는 단 한 번의 단순한 공정을 통해 저항이 작으면서도 안정적인 이황화 몰리브덴 이종복합소재를 제작했다.

연구진이 개발한 소재는 전기화학 특성평가 결과, 코팅층이 없는 이황화 몰리브덴 소재보다 2배 이상 많은 전기를 안정적으로 저장(600mAh/g 이상)할 수 있으며, 5분 이내의 빠른 충·방전을 200회 반복해도 용량을 그대로 유지하는 특성을 보였다.

이러한 우수한 성능은 이황화몰리브덴 소재 표면의 높은 전도성과 강성을 갖는 세라믹 나노-코팅층이 소재의 저항을 낮추고 구조를 안정시켰을 뿐만 아니라 코팅층의 표면에서 추가적인 전기를 저장할 수 있었기 때문이다.

이번 연구를 주도한 KIST 김상옥 박사는 “나노-코팅층 표면 안정화 기술을 통해 이황화 몰리브덴 소재의 문제점이었던 높은 전기 저항과 구조적 불안정성 문제를 효과적으로 해결할 수 있었고, 그 결과 안정적으로 많은 전기를 저장할 수 있는 대용량 나트륨 이온전지를 개발할 수 있었다”며, “저렴하고 친환경적인 재료를 활용하는 이 기술을 통해 전극 소재 생산 공정비용을 낮추면 대용량 전력저장장치용 나트륨 이온전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 우수신진연구자지원사업으로 수행됐으며, 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재됐다.