경희대, 고성능 나트륨 이온 배터리 기술 개발… 전극과 전해질 동시 설계로 성능 개선

[글로벌대학팀 김선영 기자] 경희대학교 웨어러블융합전자연구소가 중국 양저우대학교와 공동으로 나트륨 이온 배터리의 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 핵심 기술을 개발했다. 연구팀은 전극과 전해질을 새롭게 설계함으로써 기존 기술의 한계를 극복하고, 더 빠르고 오래 작동하는 나트륨 이온 배터리 구현 가능성을 입증했다.

이번 연구는 경희대 유재수 교수 연구팀과 전자정보융합공학과 박사과정생 Shaocong Tang, 그리고 중국 양저우대학교 연구진이 함께 수행했다. 연구 성과는 에너지 소재 분야의 국제 학술지 『Advanced Energy Materials』 4월호에 게재됐다.

기존 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 작은 크기로 전기차, 스마트폰 등 다양한 전자기기에 활용되고 있지만, 리튬 자원의 희소성과 비용 부담이 대체 소재 개발 필요성을 키우고 있다. 나트륨은 매장량이 풍부하고 상대적으로 저렴해 차세대 대안으로 주목받지만, 이온 반응 속도와 계면 반응성 등 기술적 제약이 상용화를 어렵게 해왔다.

이에 연구팀은 전극 구조를 계면 일함수 차이가 큰 이종구조(M/-(OH)x)로 설계해 내부 전계를 유도하고, 전하 재분배와 전자 이동을 활성화시켜 계면 반응성을 높였다. 동시에, 기존에 널리 쓰이던 에스터계 전해질 대신 에테르계 전해질을 적용해 이온 전달 속도를 개선했다. 에테르계 전해질은 점도가 낮아 나트륨 이온이 쉽게 녹고 이동할 수 있어 전체 에너지 손실을 줄이는 데 기여했다.

연구팀이 새로 개발한 전극과 전해질 조합으로 성능을 실험한 결과, 1,000회 이상 충·방전 이후에도 높은 수준의 가역 용량이 유지됐으며, 에너지 밀도와 사이클 안정성에서도 뛰어난 결과를 보였다.

유재수 교수는 “전극과 전해질을 동시에 최적화함으로써 배터리의 구조적 안정성과 성능을 크게 개선할 수 있었다”며 “리튬보다 가격 경쟁력이 높은 나트륨을 활용해 실용화 가능성을 한층 높였다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단 이공분야 대학중점연구소 사업의 지원을 받아 진행됐다.

김선영 기자 글로벌대학팀 globalu@beyondpost.co.kr