경상국립대 김주형 교수팀, 나트륨 금속전지 1000시간 안정 구동 기술 개발

나트륨 금속전지의 수명과 안전성 높일 새로운 설계 전략 제시

좌측부터 경상국립대학교 김주형 교수 연구팀과 공동연구진. 왼쪽부터 김주형 교수, 한국원자력연구원 백창연 박사, 나노신소재융합공학과 이상준 박사과정, 한국과학기술원 김인경 박사. 경상국립대 제공

경상국립대학교(총장 권진회) 공과대학 신소재공학부 세라믹공학전공 김주형 교수 연구팀이 나트륨 금속전지의 수명과 안전성을 높이는 새로운 음극 기술을 개발했다. 개발한 전극은 고속 충방전 조건에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동했다.

나트륨은 리튬보다 자원이 풍부하고 가격 경쟁력이 높아 차세대 전지 소재로 주목받고 있다. 그러나 충전 과정에서 나트륨 이온이 전극의 특정 부분에 몰리면 나뭇가지 모양의 '덴드라이트'가 자라 합선을 일으킬 수 있다. 일부 나트륨이 충방전에 참여하지 못하는 상태가 되면서 전지의 수명도 줄어든다.

연구팀은 덴드라이트를 물리적으로 막는 기존 방식에서 벗어나, 나트륨 이온이 전극 전체에 고르게 이동하도록 유도했다.

이를 위해 티탄산바륨(BaTiO₃)을 활용해 얇은 판이 수직으로 배열된 3차원 다공성 구조를 만들었다. 이 구조에 전해질이 스며들면 '유전체 분극' 현상이 발생해 전극의 특정 지점에 전기장이 집중되는 것을 완화한다.

그 결과 충전할 때 나트륨이 전극 표면에 고르게 쌓이고, 방전할 때도 원활하게 빠져나갔다. 덴드라이트와 사용하지 못하는 나트륨의 형성이 줄어들면서 다양한 실험 조건에서 안정적인 성능을 유지했다.

이번 연구는 전극 표면을 보호하는 데 그치지 않고, 전기장과 나트륨 이온의 흐름 자체를 제어했다는 데 의미가 있다. 향후 대용량 에너지저장장치와 고에너지밀도 나트륨 금속전지의 수명과 안전성을 높이는 기술로 활용될 것으로 기대된다.

김주형 교수는 "이번 연구는 나트륨 이온이 전극 전체에 고르게 이동하도록 제어했다는 점에서 의미가 있다."며 "고에너지밀도 나트륨 금속전지의 수명과 안전성을 높이는 새로운 설계 전략으로 활용되기를 기대한다."라고 의미를 밝혔다.

이번 연구는 한국원자력연구원 백창연 박사팀과 공동연구로써 경상국립대 나노신소재융합공학과 이상준 박사과정생, 한국과학기술원 김인경 박사가 참여했으며, 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 에너지화학 분야 국제학술지 《Journal of Energy Chemistry》에 지난달 27일 온라인 게재됐다.