국내 연구팀, 차세대 나트륨 이차전지용 '게르마늄 황화물' 전극 개발

김도경 KAIST 연구팀, 전기화학 구동 원리 밝혀

게르마늄 황화물-그래핀 복합체의 미세구조와 수명 특성을 나타내고 있다. 100회가 넘는 충·방전 횟수에도 전지 용량이 안정적으로 유지된다.[사진=한국연구재단]

한국연구재단은 김도경 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 게르마늄 황화물 전극을 개발하고, 전기화학적인 구동 원리를 규명했다고 12일 밝혔다.

리튬 자원의 부족으로 인해 리튬이차전지를 대체할 에너지 저장장치의 연구가 활발하다. 그중 나트륨이차전지는 원료가 자연에 풍부해 저렴하게 구할 수 있고, 안전성이 우수해 빠른 상용화가 기대된다.

그러나 아직까지 나트륨이차전지는 성능의 제약이 있다. 리튬이차전지의 음극으로 쓰이는 흑연, 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등을 나트륨이차전지에 적용하면 전기전도도가 낮아 충전‧방전 속도가 느려지거나, 부피 팽창으로 인해 장기적 안정성이 부족하다.

연구팀은 그래핀에 게르마늄 황화물이 균일하게 분포된 나노 전극을 개발했다. 전기전도도가 높고 부피팽창도 줄어드는 동시에, 이론값을 뛰어넘는 우수한 초기 용량(805mAh/g)과 수명 안정성을 나타냈다.

게르마늄 황화물 전극의 성능이 우수한 것은, 원자 배열 상태에 의한 것으로 밝혀졌다. 반응 중에 물질의 조성이 균일한 고체 물질이지만 액체처럼 원자 배열이 불규칙한 비정질 상태로 유도되는데, 이로 인해 나트륨 이온 수용량이 증대된 것이다. 이러한 전기화학 구동 원리에 대한 이해는 다양한 나트륨이차전지 연구의 새로운 접근법을 제공한다.

김 교수는 “현재 나트륨이차전지 음극 소재의 취약점인 고비용, 대형전지 제작의 어려움을 돌파하는 기초자료로 활용될 수 있다”며 “개발된 나노전극 소재 합성, 전극 및 이차전지 충‧방전 후 성능 분석 기술은 에너지 분야 중추적인 기술로서 파급효과가 클 것으로 예상된다”고 말했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다. 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 6월 25일 게재됐다.