흑연음극의 이온-용매 공동삽입 통해 우수한 성능 원인 원자수준에서 규명
우리대학 한영규 교수팀이 차세대 나트륨이온전지의 흑연음극이 이온-용매 공동삽입을 통해 우수한 성능을 보이는 원인을 찾아내는 데 성공했다.
융합에너지신소재공학과 한영규 교수팀은 제일원리 분자동역학 시뮬레이션을 통해 차세대 나트륨이온전지에서 흑연음극이 우수한 성능을 보이는 원인을 규명했다.
연구팀은 원자수준에서 이온-용매 공동삽입 매커니즘을 규명해 이를 기반으로 흑연전극이 우수한 전기화학성능을 보이는 이유를 찾아냈다. 연구결과 나트륨과 용매가 쌍을 이뤄 함께 흑연에 삽입되는 경우, 삽입된 물질의 안정성이 높아지고 나트륨이온이 흑연 층 내부에서 빠르게 확산되는 현상이 관찰됐다. 논문은 기존 방식과의 차이, 차이를 만들어내는 원인과 과정 등을 상세하게 설명한다.
흑연은 리튬이온전지의 음극으로 상용화 된 거의 유일한 물질이지만 차세대 나트륨이온전지에서는 나트륨이온이 흑연에 삽입되지 않아 전기화학성능이 매우 미미한 수준에 그쳤다. 이번 연구를 통해 흑연의 전기화학성능을 높이고 이를 보다 적극적으로 활용해 여러 연구 분야에 발전을 가져올 것으로 기대를 모은다.
한 교수는 “연구에서 이온-용매 공동삽입의 작동원리를 원자수준에서 고찰함으로써 여러 새로운 사실들을 알아낼 수 있었다”며 “이제는 흑연-이온-용매 간 복잡한 상호인력 연구가 필요한 시점이며 다가이온을 활용하는 경우 이온-용매 공동삽입을 통해 전지의 성능 향상을 기대할 수 있다”고 전망을 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한영규 교수와 정성철 박사(융합에너지신소재공학과)를 필두로 한 연구팀이 미래창조과학부 신진연구자 및 중견연구자 지원 사업을 수주해 진행됐다. 연구 결과는 그 우수성을 인정받아 국제학술지 「나노 에너지(Nano energy)」에 게재됐다.