박진균 우리학교 자연과학대학 화학과 교수 연구팀이 백승민 경북대학교 화학과 교수팀 및 오제민 동국대학교 에너지신소재공학과 교수팀과 공동연구를 통해 차세대 에너지 저장장치로 주목받는 소듐(Sodium) 이온 배터리의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 음극 소재 개발에 성공했다.

해당 기술은 기존 배터리 제작 시 원재료로 사용된 △니켈(Nickel)△리튬(Lithium)△코발트(Cobalt)를 △망간(Manganese)△소듐△철으로 대체해 보다 높은 경제성과 환경친화성을 갖췄다는 평가를 받았다. 일례로 주재료인 소듐의 경우 소금에서 쉽게 추출할 수 있단 점에서 제작 비용 절감이 가능하다.

연구진은 해당 연구에서 전자 끌어당김 효과가 뛰어난 벤조티아디아졸 유닛(Benzothiadiazole Unit) 유닛과 플루오린(Fluorine) 원자를 유기 나노시트(Nanosheet)에 도입해 밴드갭(Band Gap)과 전자 밀도를 낮추고 강한 영구 쌍극자를 형성했다. 이를 통해 고체 상태에서 소듐 이온이 접근할 수 있는 활성 사이트(Site)를 크게 늘린 신물질을 구현했다.

또한 플루오린화된 유기 나노시트와 비플루오린화된 나노시트를 비교한 결과 플루오린화된 유기 나노시트는 소듐 이온과의 상호작용은 약해졌지만 이온 및 전하 운반체의 전도성이 크게 향상돼 전기화학적 성능이 개선되는 것을 확인했다. 특히 100 mA/g 전류 밀도에서 약 637 mAh/g의 가역 방전 용량을 기록했으며 5,000회 이상의 충방전 후에도 구조적 안정성과 우수한 속도 특성을 유지했다.

연구진은 본 연구 결과를 두고 “분자 내부의 쌍극자 조절을 통해 유기 나노시트의 전하 이동과 장기 안정성을 효과적으로 높일 수 있음을 입증했다”며 “이번 연구가 차세대 소듐 이온 배터리 음극 소재 개발에 새로운 전략을 제시한다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 에너지 저장장치의 고성능화와 장기 수명화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 연구 결과는 국제저명학술지(SCI) 중에서도 임팩트 팩터(Impact factor)12.1으로 화학 최고 권위지 중 하나인 ‘Small’에 지난달 11일에 게재되었으며 해당 권호의 표지 논문으로 선정됐다.

이승원 기자 08seungwon@hufs.ac.kr