리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 에너지 저장장치의 개발이 한창인 가운데, 소듐 이온의 저장성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 전극소재가 전남대학교 연구팀에 의해 개발됐다. 이 기술은 소듐 이온 기반 에너지저장시스템이나 전기자동차 개발에도 중요한 기틀이 될 것으로 기대되고 있다.

17일 전남대 전영시 교수(화학공학부·사진) 연구팀에 따르면, 현재 광범위하게 사용되는 리튬 이온 배터리를 대체하기 위한 소듐 이온 배터리·커패시터 개발연구가 세계적으로 한창이나, 소듐 이온을 많이 그리고 빨리 저장할 수 있는 저가의 소재 개발에 어려움을 겪어왔다.

이에 전 교수팀이 지난 2년여간의 연구 끝에, 하드카본의 미세구조 조절이 가능한 합성방법을 개발해 소듐 이온의 저장에 특화된 탄소전극소재를 합성하는데 성공했다.

트리아진 유기결정을 반응주형으로 이용해 하드카본 내에 존재하는 2차원 탄소결정의 크기를 크게, 층간 간격을 넓게 하는 방식으로 소듐 이온의 삽입 및 탈리를 용이하게 했고, 이를 바탕으로 세계 최고 수준의 소듐 이온 저장능력을 가질 수 있도록 한 것이다. 이 연구결과는 미국 화학회의 학회지 ‘ACS Nano’(영향력지수 13.903, JCR분야 상위 5.973%) 온라인 최신판에 게재됐다.

논문 원제목은 ‘Molecular Cooperative Assembly-Mediated Synthesis of Ultra-High-Performance Hard Carbon Anodes for Dual-Carbon Sodium Hybrid Capacitors’으로 제 1저자는 전남대 신화학소재공학과 강희주 연구원(박사과정), 공동저자는 인하대학교 생명공학과 허윤석 교수다.

전 교수팀은 “값싼 원료를 이용해 간단히 섞어주는 것으로 합성이 가능하므로 대량생산이 가능하고, 소듐-하이브리드 커패시터와 같은 에너지저장장치에 적용했을 때 1만 사이클 후에도 에너지 용량을 95.7% 유지할 수 있으며, 장기간 빠른 충·방전 시에도 반복 사용이 가능하다”고 밝혔다.

리튬 이온 배터리의 경우 폭발적인 수요의 증가로 인한 원료공급 부족 및 가격 상승이 우려되는 반면, 소듐은 원료가 저렴하고 어디서나 구할 수 있으며 셀 전압의 손실이 적다는 장점이 있어 선호되고 있다.

전 교수는 “에너지저장시스템은 에너지 출력밀도 및 가격, 안정성이 관건인데, 이번에 개발된 탄소전극소재를 이용한 소듐-하이브리드 커패시터는 이같은 조건을 대부분 만족시키고 있다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구실(BRL)지원사업과 신진연구자지원사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업(CAP)을 통해 수행됐다. /김종민 기자