서울대학교(총장 오세정) 공대(학장 차국헌) 재료공학부 강기석 교수팀은 값싼 흑연을 이용해 차세대 나트륨이온전지용 고출력 음극재 개발에 성공했다. 이번에 개발된 전지는 현재까지 보고된 나트륨 전지 중 가장 높은 출력 밀도를 나타낸다.

지구상에 풍부한 나트륨을 이용하는 나트륨이온전지는 리튬이온전지를 대체할 차세대 에너지 저장 기술로 각광받고 있다. 이에 연구팀은 값싼 흑연을 이용하면서도 빠른 충전/방전 속도를 구현할 수 있는 흑연 음극재를 적용한 나트륨이온전지 기술을 제안했다.

연구팀은 먼저 기존에 나트륨 이온이 단독으로 흑연 층간에 삽입되는 반응이 열역학적으로 불안정하다는 한계를 돌파했다. 나트륨 이온이 이온-용매 공동 삽입 메커니즘을 통해 흑연 층간에 삽입될 수 있음을 입증했다.

또한 공동 삽입 반응의 전압을 최대 0.38V까지 조절함으로써 흑연 기반 나트륨이온전지의 에너지밀도를 극대화했다. 그 결과 연구팀이 개발한 신규 전지는 3,863 W kg⁻¹라는 매우 높은 파워밀도를 지녔으며, 1000회 이상 반복된 충전/방전에도 사이클 당 0.007%의 미미한 용량 감소만을 보여, 현재까지 보고된 나트륨이온전지 중 가장 좋은 성능을 나타냈다.

강기석 교수는 “흑연 전극을 이용한 나트륨이온전지를 개발하며 유기물 소재인 유기 용매가 탄소 내 삽입되는 흥미롭고도 중요한 현상을 발견했다”며, “이를 활용한 공동 삽입 메커니즘이 나트륨이온전지 개발의 새 방향을 제시할 것”이라고 강조했다.

이번 연구결과는 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 6월 13일자로 온라인 게재됐으며, 저널의 하이라이트(Editors’ Highlights) 페이지에 우수 연구 성과로 소개됐다.

한편 이 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(탄소유기체에너지소재 연구단)의 지원으로 수행됐다.