금오공대 박철민 교수 연구팀, 6분 충전 '고에너지 나트륨전지 음극' 개발

주석 나노복합체 적용해 초기 쿨롱효율 약 100% 확보
완전셀 에너지밀도 263.3Wh/kg 구현
10C 조건에서도 안정적인 충·방전 성능 유지

왼쪽부터 금오공대 재료공학부 박철민 교수, 이영한 연구원, 인하대 환경공학과 전기준 교수. 금오공대 제공

국립금오공과대학교 박철민 교수 연구팀이 약 6분 내 충·방전이 가능한 고에너지·고출력 나트륨이온전지용 주석 기반 나노복합체 음극 소재를 개발했다. 해당 소재를 적용한 완전셀은 263.3Wh/kg의 에너지밀도를 구현하고 10C(C-rate) 고율 조건에서도 안정적인 성능을 보였다.

연구팀은 나트륨이온전지의 성능 저하 원인을 분석하기 위해 방사광가속기를 활용한 주석 K-edge X선 흡수 미세구조 분석을 진행했다. 이를 통해 충·방전 과정에서 형성되는 주요 중간상과 가역적인 나트륨 저장 반응 경로를 규명했다.

연구팀은 분석 결과를 바탕으로 산화주석, 알루미늄, 탄소를 활용한 주석 나노복합체를 설계했다. 산화알루미늄은 주석의 부피 변화를 완충하고 탄소는 전자 이동을 도와 반복적인 충·방전 과정에서도 전극 구조를 안정적으로 유지하도록 했다.

또 초기 나트륨 손실을 보완하기 위해 직접 접촉식 사전 나트륨화 기술을 적용했다. 그 결과 음극의 초기 쿨롱효율은 약 100% 수준을 기록했고 상용 하드카본 음극보다 높은 가역용량과 전기화학적 안정성을 확보했다.

이 음극을 적용한 나트륨이온전지는 10C 조건에서 구동됐다. 10C는 이론적으로 약 6분 내 충·방전이 가능한 고율 조건이다. 연구팀은 해당 조건에서도 안정적인 충·방전 성능이 유지되는 것을 확인했다.

박철민 교수는 "주석 음극의 나트륨 저장 반응 메커니즘을 규명하고 이를 기반으로 구조적 안정성이 높아진 나노복합체를 설계했다"며 "사전 나트륨화 전략으로 초기 효율 문제까지 보완해 고에너지·고출력 나트륨이온전지의 실용화 가능성을 높였다"고 말했다.

연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 7월호에 게재됐다.