국립부경대, 소듐전지 용량 높일 복합 음극 개발

마그네슘 인화물·하드카본 결합
안정성 유지하며 고율 성능 개선

국립부경대학교 연구팀이 개발한 차세대 소듐이온전지용 복합 음극 소재의 합성 과정과 충·방전 성능 평가 결과.(사진=국립부경대학교 제공)

국립부경대학교 연구진이 소듐이온전지의 용량과 고율 충·방전 성능을 함께 높일 수 있는 복합 음극 소재를 개발했다.

김경호 재료공학전공 교수 연구팀은 마그네슘과 적린을 결합한 마그네슘 인화물(MgP4)을 만든 뒤 이를 하드카본에 소량 넣는 단계적 탄소 복합화 기술을 적용했다.

소듐이온전지는 원료 수급과 가격, 안전성 측면에서 리튬이온전지의 대안으로 꼽힌다. 그러나 음극으로 쓰이는 하드카본은 저장 용량과 고율 특성에 한계가 있다.

리튬이온전지는 흑연에 고용량 실리콘을 더해 에너지 밀도를 높이지만, 소듐과 실리콘의 반응 특성 때문에 같은 방식을 소듐이온전지에 적용하기는 어렵다.

연구진은 실리콘을 대신할 후보인 적린의 발화 위험과 낮은 전기전도도를 줄이기 위해 마그네슘을 합금화했다. 이렇게 만든 MgP4를 하드카본과 결합한 결과 기존 소재의 안정성과 공정성을 유지하면서 저장 용량과 고율 충·방전 특성을 끌어올렸다.

김 교수 연구팀은 앞으로 화합물 개질과 입자 크기 조절을 통해 성능을 높이고 하드카본에 들어가는 첨가량을 줄이는 후속 연구를 진행할 예정이다.

연구에는 김 교수와 하시온 석사후연구원, 김동원 석사과정생을 비롯해 서울대학교와 미국 노스웨스턴대학교 연구진이 참여했다.

논문 'MgP4/CNT-Graphene Embedded in Hard Carbon Matrix as a High-Capacity Anode for Next-Generation Sodium-Ion Batteries'는 국제 학술지 'Advanced Science'에 온라인 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구 및 혁신연구센터 과제로 수행됐다.

부산=김성욱 기자