한영규 교수팀, 차세대 이차전지 전극 코팅재 설계 기반 마련
융합에너지신소재공학과 한영규 교수팀이 제일원리 분자동역학 시뮬레이션을 통해, 충방전시 알루미나 코팅층을 통과하는 나트륨 이온들의 일부가 코팅층에 갇혀서 전극을 효과적으로 보호하는 나트륨-알루미나 층이 형성되는 현상이 열역학적 원인이 아닌 순수하게 속도론적 원인에 의한 것임을 밝혀냈다.
한 교수는 “이번 연구를 통해 리튬이온에 비해 원자반경이 더 큰 나트륨이온이 전극 코팅재로 널리 사용되는 알루미나(Al2O3) 층을 통과할 때 더 느리게 통과할 것이라는 예상과는 달리, 리튬이온에 비해 최소 100배 이상 더 빨리 통과한다는 것을 알아냈다”고 말했다. 연구팀은 계산 결과를 바탕으로 알루미나 코팅층에 들어온 나트륨이온 혹은 리튬이온들이 임계 이온 확산도(~10–10 cm2/s)에 도달해야만 코팅층을 통과하여 인접한 전극 혹은 전해질로 확산될 수 있다는 근거를 제시했다.
알루미나 코팅층 내에서 나트륨이온들은 주위의 산소 원자들로 둘러싸여 있는데, 산소와의 결합을 순간적으로 끊고 원자 호핑(hopping)하는 운동이 나트륨의 미시적인 확산 방식이라는 것이다. 나트륨 이온의 빠른 이동은 나트륨-산소 결합에너지가 리튬-산소 결합에너지에 비해 훨씬 작은 점이, 크기가 다른 캐리어 이온 이동에 의한 알루미나 구조 변화 에너지 차이에 비해 훨씬 더 중요한 인자라는 것을 시사한다.
이차전지의 핵심 캐리어인 나트륨이온과 리튬이온이 코팅재를 통과 할 때 열역학적, 속도론적 특성을 규명함으로써, 향후 높은 충방전 효율을 갖는 이차전지 전극에 최적화된 코팅재 계발의 방향을 제시했다는 점에서 중요한 의미가 있다. 또한 이번 연구결과는 코팅층 뿐만 아니라 비정질 소재 내 캐리어 이동에까지 널리 적용될 수 있어, 비정질 음극소재 연구 전반에 활용될 수 있다.
한 교수는 “비정질 소재에 대한 계산은 분자나 결정소재에 대한 계산에 비해 아직까지 기술성숙도가 낮은 분야에 해당한다. 그러나 이를 다른 시각으로 보면 비정질 계산 분야에서 선도적인 위치를 점할 경우, 배터리 음극소재를 비롯한 다양한 비정질 소재에 대한 선도적인 개발을 가능하게 한다는 의미이므로, 향후 비정질 소재에 대한 다양한 에너지 소재 시뮬레이션 연구에 주력할 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 우리대학 한영규 교수의 주도하에 융합에너지신소재공학과정성철 박사의 연구로 성과를 이루었으며 미래창조과학부의 기후변화대응사업, 산업통상자원부 에너지기술개발사업의 공동지원으로 진행됐다. 연구결과는 최근 그 우수성을 인정받아 10월 6일자로 나노과학 분야의 최고 권위지인 나노 레터스(Nano Letters)誌 인터넷판에 게재되었다.