카이스트(KAIST) 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 황화구리를 기반으로 한 나트륨 이차전지 전극 재료의 나트륨 저장 원리를 규명했다. 나트륨 이차전지는 1일 1회 충, 방전할 때 5년 이상 사용할 수 있는 우수한 성능을 가진 전지이다. 이번 연구를 통해 수명이 긴 전극 재료 개발에 이바지할 그것으로 예상한다.

연구팀의 이번 연구는 높은 저장 용량을 가지는 소재의 충, 방전 반복에 따른 열화 방지 관련 핵심원리를 규명했다는 점에서 의의가 있다. 황화구리는 지구상에 풍부한 구리와 황으로 이뤄져 있어 다른 나트륨 저장 소재 대비 경쟁력이 높아 나트륨 전지의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대된다.

리튬 이온 전지는 휴대폰, 전기차 등 일상과 밀접한 다양한 곳에 사용된다. 리튬 이온 전지의 원자재인 리튬, 코발트, 니켈 등은 매장지역이 한정돼 있어 가격 흐름이 매우 불안정하다. 2018년에는 수요가 급등해 공급량이 부족해 리튬과 코발트 가격이 한때 3배 이상 급등하기도 했다.

이런 문제를 해결하기 위해 리튬 이온 전지의 대안으로 나트륨 이온 전지가 주목받고 있다. 리튬이 지구 지표면에 0.005%만 존재하는 반면 나트륨은 그 500배 이상인 2.6% 존재해 원자재 공급 문제를 해결할 수 있다. 리튬 이온 전지 대비 저렴한 가격으로 같은 용량의 에너지를 저장할 수 있을 것으로 전망된다.

리튬 이온 전지의 음극 재료인 흑연은 나트륨의 저장에 적합하지 않다. 그 이유는 흑연 층 사이에 리튬 이온들이 삽입(intercalation)되며 저장되는데 나트륨 이온을 저장하기에는 흑연의 층간 거리가 너무 좁기 때문이다.

비슷한 이유로 다른 삽입반응을 거치는 나트륨 저장물질들도 저장 용량이 낮다. 낮은 저장 용량 문제를 해결하기 위해서는 높은 저장 용량을 얻을 수 있는 전환(conversion) 반응이나 합금(alloying) 반응을 거치는 물질을 사용해야 한다. 이 두 가지 반응을 이용하면 부피팽창이 너무 커지고 급격한 결정구조의 변화에 따라 입자가 분쇄돼 성능이 빠르게 저하된다.

육 교수 연구팀은 일반 통념과 달리 황화구리는 전환 반응을 거침에도 불구하고 오히려 저장 용량이 회복되며 안정적 충, 방전이 가능하다는 사실을 발견했다. 그 원리를 투과전자현미경을 이용해 관찰했다. 그 결과 전환 반응에서 유사 정합 경계면 (두 상 혹은 두 결정립 사이의 결정 격자의 합이 잘 맞는 경계면)을 형성해 입자의 분쇄를 막아준다는 사실을 밝혀냈다.

일반 전환 반응의 경우 전환 반응 전후의 결정구조가 완전히 다르고 부피팽창도 크기 때문에 입자가 분쇄돼 성능 열화를 유발한다. 황화구리는 나트륨 저장에 따라 유동적 결정구조 변화를 해 유사 정합 경계면을 형성한다. 이는 입자의 분쇄를 막아주는 결정적인 역할을 한다고 연구팀은 설명했다.

그 결과 황화구리는 입자의 크기나 형상에 상관없이 높은 나트륨 저장 성능을 보이는 것을 확인했다. 수십, 수백 마이크로미터 크기의 별다른 최적화를 거치지 않은 황화구리 입자가 기존 흑연의 이론 용량 대비 약 17% 높은 ~436mAh/g의 저장 용량을 갖고, 2000회 이상의 충, 방전에도 93% 이상의 저장 용량을 유지함을 확인했다.

육 교수는“이번 연구가 미세먼지 해결을 위한 고성능 배터리 개발에 이바지할 수 있을 것이다”라고 말했다. 박재열 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Sciences)’ 6월호 표지논문(논문명 : Pulverization-tolerance and capacity recovery of copper sulfide for high performance sodium storage)에 선정됐다.