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김주형 교수팀, ‘구조적 안정성 갖춘 나트륨 이온 배터리용 고성능 층상형 양극재’ 개발 ▸이종원소치환 통해 구조적 안정성과 나트륨 이온전도성 향상으로 높은 가역성 갖춰 ▸이차전지소재 분야 세계적 학술지 《에너지 스토리지 머티리얼즈》에 논문 발표
경상국립대학교(GNU·총장 권진회) 대학원 나노신소재융합공학과 및 공과대학 나노·신소재공학부(세라믹공학전공) 김주형 교수(경상국립대 그린에너지융합연구소 전지연구센터장) 연구팀은 고상합성법을 활용해 나트륨 이온 배터리용 층상형 양극재를 개발하여 이종원소 치환을 통해 층상형 양극재의 구조적 안정성 및 수명 특성을 향상시키는 소재를 개발해 주목받고 있다.
이번 연구는 한국연구재단 신진연구지원사업 및 2024년도 경상국립대 글로컬대학30 사업비의 지원을 받았으며, 김주형 교수팀의 석사과정 정수환 씨가 제1저자로 논문에 참여했다.
나트륨은 기존에 널리 사용되고 있는 리튬 이온 배터리와 유사한 화학을 지니고 있고, 풍부한 매장량으로 인해 차세대 배터리 중 하나로 주목받고 있다. 하지만, 리튬보다 무게가 무겁고 이온 반경이 큰 나트륨의 특성으로 인해 이온의 확산 및 저장이 상대적으로 어려워 소재와 비율에 따라 전지의 수명과 용량, 그리고 에너지 밀도 측면에서 중요한 역할을 하는 적절한 양극소재의 개발이 요구되는 상황이다.
이번 연구에서 개발된 층상형 양극재는 기존 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)으로 이루어진 층상형 구조에 전기화학적으로 반응에 참여하는 철(Fe) 원소를 일부 치환함에 따라 결정 구조 내에서 나트륨 이온이 더 안정적으로 존재할 수 있는 사이트의 비중을 높여 구조적 안정성과 충·방전 과정 중 발생할 수 있는 상전이를 일부 완화하여 높은 가역성과 향상된 전기화학적 성능을 보여주었다.
기존 층상형 양극재는 충·방전 과정이 진행됨에 따라 과도한 이온의 삽입/탈리로 기존의 구조를 유지하는 데 어려움이 있다. 하지만 이번 연구를 통해 개발한 양극재는 구조적 안정성을 향상시켜, 충·방전 과정 중에도 비교적 높은 이온전도도와 사이클링 안정성을 지니고 있어 나트륨 이온 배터리의 상용화에 한 걸음 더 나아갈 것으로 기대한다고 전했다.
이번 연구 성과는 우수성을 인정받아 엘스비어(Elsevier)에서 발행하는 이차전지 소재 분야 우수 SCIE 학술지인 《에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)》(I.F. 18.9, JCR Rank 상위 4.2%)에 게재됐다.
ㅇ 사진 설명: 경상국립대 대학원 나노신소재융합공학과 및 나노·신소재공학부(세라믹공학전공) 김주형 교수, 경상국립대 나노신소재융합공학과 석사과정 정수환 씨(제1저자). ㅇ 내용 문의: 경상국립대 나노신소재융합공학과 김주형 교수 055-772-1685
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