연구재단, 철 산화물과 신소재 탄소나노튜브 결합 신개념 복합체 합성
한국연구재단(이사장 조무제)은 명승택 세종대 교수 연구팀이 매장량이 풍부한 철 산화물과 전기 전도도가 높은 신소재 탄소나노튜브를 결합하여 나트륨이온전지의 신개념 양극소재 복합체를 개발했다고 밝혔다.
이차전지 원료로 가장 많이 활용되는 리튬은 매장량이 많지 않고 가격이 비싸 이를 대체할 수 있는 나트륨이온전지의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 하지만 나트륨이온전지의 양극소재로 개발된 물질들은 대부분 전기 전도도가 낮아 충전과 방전 속도가 느리거나 안정성 저하의 문제가 있었다.
명승택 교수는 신개념 이차전지 양극재로 가장 풍부한 자원 중 하나이자 다른 금속에 비교해 상대적으로 저렴한 철(Fe) 산화물 중 터널 구조를 갖는 베타-산화철 수산화물(β-FeOOH)에 주목했다. 여기에 전기 전도도가 높은 탄소나노튜브(CNT)를 결합해 높은 전류밀도(단위 면적을 통해 흐르는 전류의 양)에서도 우수한 방전 용량을 보이는 복합체 산화철 수산화물와 탄소나노튜브(β-FeOOHㆍCNT)를 합성했다.
연구팀은 합성된 β-FeOOH/CNT를 X선 회절기 등의 분석 장비를 이용해 물성 실험을 진행한 결과, 기존 학계에 보고된 금속과 산화나트륨(NaxO)이 나오는 전환반응과 달리 산화철(FeO)과 수산화나트륨(NaOH)이 나오는 새로운 반응 메커니즘을 확인했다.
또 탄소나노튜브의 높은 전기 전도성으로 나트륨 저장을 위한 신속한 전환반응이 가능하다는 점과 탄소나노튜브가 β-FeOOH와 복합체를 형성했을 때 뛰어난 전기적 성능을 발휘한다는 점을 규명했다.
명승택 교수는 “이 연구는 가격이 저렴한 철 이온 화합물을 이용해 새로운 전환반응을 하는 우수한 양극소재를 개발해 고가의 리튬이온전지를 나트륨이온전지로 대체할 수 있는 기반을 마련한 것”이라며 “앞으로 나트륨이온전지와 전고체전지 등에 충분히 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 '나노 에너지(Nano energy)' 10월 10자일자 논문으로 게재됐다.
☞산화철수화물(β-FeOOH)=연구팀이 전지의 양극활물질로 활용한 산화철수화물.
☞탄소나노튜브 CNT-탄소 6개로 이루어진 육각형이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재 카본나노튜브로 전기 전도도가 우수함.
☞전환반응=전기화학 반응 중 하나. 반응 동안 분해 및 형성 과정이 일어남.
☞전고체 전지=휘발성이 있는 전해액 대신 고체 전해질을 사용해 리튬이온전지에 비해 폭발 위험을 획기적으로 줄인 전지.