왼쪽부터 김경호 교수(교신저자), 하시온 석사후연구원(제1저자), 김동원 석사과정생(공동저자). 국립부경대 제공

국립부경대학교 김경호 교수(재료공학전공) 연구팀이 상용 소듐(나트륨)이온전지용 하드카본(Hard Carbon) 음극의 낮은 용량과 고율 특성의 한계를 보완할 수 있는 새로운 음극 소재를 개발했다.

연구팀은 자원 부존량이 풍부하고 공급망이 안정적인 마그네슘(Mg)과 적린(P)을 기반으로 한 새로운 조성의 마그네슘 인화물(MgP4) 음극 소재를 개발하고, 이를 하드카본 매트릭스에 소량 첨가하는 단계적 탄소 복합화 기술을 적용했다. 이번 연구는 현재 전기차용 리튬이온전지에서 널리 적용되고 있는 흑연-실리콘 복합 음극 기술에서 착안했다.

리튬이온전지에서는 용량이 낮은 흑연에 고용량 실리콘을 소량 복합화해 에너지 밀도를 높이는 방식이 상용화돼 있다. 소듐이온전지는 가격 경쟁력과 안전성 측면에서 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있지만, 리튬 대신 소듐 이온을 사용하기 때문에 실리콘이 고용량 특성을 발현하지 못한다. 이 때문에 리튬이온전지의 복합 음극 전략을 그대로 적용하기 어려웠다.

이에 연구팀은 실리콘의 대체 후보 물질 중 하나인 적린(P)의 발화성과 낮은 전기전도도 문제를 해결하기 위해 마그네슘(Mg)을 합금화한 마그네슘 인화물(MgP4)을 도입했다. 이를 하드카본과 단계적으로 복합화한 결과, 하드카본의 우수한 안정성과 공정성을 유지하면서도 용량과 고율 충·방전 특성을 동시에 향상시키는 데 성공했다.

김경호 교수는 “이번 연구를 통해 하드카본 기반 복합 음극의 가능성을 확인했다”며, “향후 고용량 화합물의 추가 개질과 입도 조절을 통해 복합체의 성능을 더욱 높이고, 하드카본 내 첨가량을 최소화한다면 현재 상용화 단계에 있는 단일 하드카본 음극을 잇는 차세대 하드카본 복합 음극 플랫폼으로 발전할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

연구팀에는 국립부경대 김경호 교수(교신저자)와 하시온 석사후연구원(제1저자), 김동원 석사과정생, 서울대 이도연 박사과정생, 김원식 박사, 홍성현 교수, 미국 노스웨스턴대학교 이민규 박사가 참여해 연구 성과를 거뒀다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구 및 혁신연구센터(IRC) 사업의 지원을 받아 진행됐다. 연구 성과를 담은 논문 ‘MgP4/CNT-Graphene Embedded in Hard Carbon Matrix as a High-Capacity Anode for Next-Generation Sodium-Ion Batteries’는 재료공학 및 융합과학 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Science’(IF 14.1) 7월호에 게재됐다.