카이스트, 나트륨 이차전지 상용화 앞당길 핵심소재 발견 카이스트(총장 신성철) 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 황화구리를 기반으로 한 나트륨 이차전지 전극 재료의 나트륨 저장 원리를 밝혔다. 나트륨 이차전지는 1일 1회 충ㆍ방전 시 5년 이상 사용할 수 있는 우수한 성능을 가진 전지로, 이번 연구를 통해 수명이 긴 전극 재료 개발에 기여할 전망이다. 연구팀의 이번 연구는 높은 저장 용량을 가지는 소재의 충ㆍ방전 반복에 따른 열화 방지 관련 핵심원리를 규명했다는 점에서 의의가 있으며, 특히 황화구리는 지구상에 풍부한 구리와 황으로 이뤄져 있어 다른 나트륨 저장 소재 대비 경쟁력이 높아 나트륨 전지의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대된다. 리튬 이온 전지는 휴대전화, 전기차 등 일상에 밀접하고 빈번하게 사용되나, 원자재인 리튬, 코발트, 니켈 등은 매장지역이 한정돼 있어 가격흐름이 매우 불안정하다는 한계를 갖는다. 실제로 지난 2018년 리륨 이온 전지의 수요가 급등했을 당시 공급량 부족으로 인해 리튬과 코발트 가격이 한때 3배 이상 급등하기도 했다. 이런 문제를 해결하기 위해 지구 지표면에 0.005%만 존재하는 리튬 대신 그 500배 이상인 2.6% 존재하는 나트륨이 그 대안으로 꼽히고 있다. 다만 리튬 이온 전지의 음극 재료인 흑연이 나트륨의 저장에 적합하지 않다는 점이 문제가 되어왔는데, 그 이유는 흑연 층 사이에 리튬 이온들이 삽입(intercalation)되며 저장되는데 나트륨 이온을 저장하기에는 흑연의 층간 거리가 너무 좁은 탓이다. 낮은 저장 용량 문제를 해결하기 위해서는 높은 저장 용량을 얻을 수 있는 전환(conversion)반응이나 합금(alloying) 반응을 거치는 물질을 사용해야만 하는데, 이같은 경우는 성능이 빠르게 저하된다는 단점이 있다. 그러나 육 교수 연구팀이 일반적인 통념과 달리 황화구리의 경우 전환반응을 거침에도 불구하고 오히려 저장 용량이 회복되며 안정적인 충ㆍ방전이 가능하다는 사실을 발견하면서 나트륨 전지 시장에 희소식을 전하게 됐다. 연구팀은 이 원리를 투과전자현미경을 이용해 관찰했으며, 그 결과 전환반응에서 유동적인 결정구조 변화를 통해 유사 정합 경계면(두 상 혹은 두 결정립 사이의 결정 격자의 합이 잘 맞는 경계면)을 형성해 입자의 분쇄를 막아준다는 사실을 밝혀냈다. 황화구리는 수십, 수백 마이크로미터 크기의 별다른 최적화를 거치지 않은 입자 상태에서도 기존 흑연의 이론 용량 대비 약 17% 높은 ~436mAh/g의 저장 용량을 갖고, 2천 회 이상의 충, 방전에도 93% 이상의 저장 용량을 유지하는 것으로 나타났다. 육 교수는 "이번 연구가 미세먼지 해결을 위한 고성능 배터리 개발에 이바지할 수 있을 것"이라고 전망했다. 박재열 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Sciences)' 6월호 표지논문(Inside back cover)에 선정됐다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.