경상국립대학교 나노신소재융합공학과 및 나노·신소재공학부(세라믹전공) 김주형 교수(왼쪽)와 이상준 석사과정생. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 공과대학 나노신소재융합공학과 및 나노·신소재공학부(세라믹전공) 김주형 교수 연구팀은 동결 주조 기술을 이용해 3차원 호스트 음극을 개발해 나트륨 메탈 전지의 안정성 및 수명 특성을 획기적으로 향상시키는데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 신진연구지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원을 받았으며, 김주형 교수팀의 이상준 석사과정생이 연구에 참여했다.

나트륨은 저렴한 가격 때문에 차세대 전지 중 주목받는 소재이다. 현재 높은 용량 특성을 요구되고 있어 높은 비 용량을 가진 메탈을 음극 자체로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만, 구동 시 발생하는 덴드라이트로 인해 내부 단락이 일어나 화재나 폭발로 인해 매우 높은 안정성을 요구한다.

이번 연구에서 개발된 3차원 호스트 음극은 높은 전자전도도 및 다공성 구조를 통해 이온 흐름을 균일하게 해 불가항력적으로 발생하는 덴드라이트의 성장을 음극의 3차원 구조 내에서 효율적으로 제어함에 따라 장시간 배터리 시험에서도 안정적인 성능 구현이 가능하다.

또한 3차원 구조는 비가역적인 용량을 만들어내는 'Dead Na'을 줄여 높은 수명 특성 및 안정성이 크게 증가됐다.

김주형 교수는 "본래 나트륨 전지는 반응성이 높아 실제 산업에서 사용되는 전해질 시스템을 사용하기에 많은 어려움이 있다"며 "하지만 이번 연구를 통해 개발한 음극은 해당 전해질을 사용함에도 안정적인 구동이 가능해 나트륨 메탈 전지의 상용화를 위한 도움이 될 것으로 기대된다"고 전했다.

이번 연구 성과는 우수성을 인정받아 엘스비어에서 발행하는 이차전지 소재 분야 우수SCIE 학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)'(I.F. 20.4, JCR Rank 상위 4.2%)에 게재됐다.