나트륨이차전지는 기존의 리튬이차전지를 대체할 것으로 기대를 모으는 차세대 전지다. 무엇보다 소재인 나트륨이 흔한 광물이라 제조 단가를 크게 낮출 수 있다. 세계 각국에서 나트륨이차전지에 대한 연구가 활발한 이유다. 하지만 아직까지 에너지 효율과 안정성에서 만족스러운 기술은 나오지 않았다. 이런 가운데 국내 연구진이 인체 뼈에서 힌트를 얻은 고효율의 양극소재 개발해 성공해 나트륨이차전지 상용화를 앞당길 수 있는 길을 열었다. 

세종대 명승택 교수 연구팀이 인체의 뼈를 모방한 소재(NaCaPO4)를 나트륨이차전지 전극 소재에 적용해 기존의 단점을 개선한 양극소재를 개발했다고  한국연구재단이 30일 밝혔다.

나트륨이차전지 개발 초기에 층상구조(P2) 소재가 주목 받았다. 하지만 구조적 불안정성으로 인해 입자가 분해되면서 효율이 떨어지는 결정적인 단점이 발견됐다. 층상구조는 층 안의 분자 또는 원자의 결합력과 층 사이의 결합력이 다를 때 형성되는 구조로, 얇게 벗겨지기 쉽다. 

연구팀은 재질이 단단하고 이온 전달에 효과적인 인체 뼈 소재를 양극소재 표면에 바름으로써 층상구조 소재의 이런 단점을 해결했다. 

연구팀은 에탄올에 뼈 소재 원료와 층상구조 양극소재를 섞어 80℃ 온도에서 증발시켰다. 이어 열처리로 양극소재 표면에 뼈 소재 원료를 치밀하게 부착했다. 그 결과 나트륨이차전지의 전기화학적 성능이 40%가량 높아졌다. 

단단한 뼈 소재가 이차전지 구동시 양극소재 표면에서 나타나는 입자분해 현상을 막아 주는 것으로 확인됐다. 또 양극소재가 전해질에 포함된 물이나 산성 물질과 먼저 반응해 손상되는 것도 최소화해 주는 것으로 파악됐다.

명 교수는 이번 개발에 대해 "나트륨이차전지의 상용화를 앞당길 수 있는 기반을 마련했다"며 "(이차전지 이외의)다른 분야에도 인체 소재를 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 등의 지원으로 수행됐다. 연구 결과를 담은 논문은 에너지 분야 국제학술지 '어드밴스트 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 이달 22일자에 실렸다. 다음은 연구팀과의 일문일답

- 연구 과정에 대해 설명해달라.

▲의학 등 여러 분야의 소재에 대한 연구결과들을 접하며서 특성이 우수한 소재들을 선별했다. 아직까지 해결되지 않고 있는 나트륨이차전지 양극소재에 적용할 수 있는 몇 가지 소재들을 선별하던 중 인체 뼈 소재가 유용할 수 있다는 가정을 갖고 실험을 진행하게 됐다. 

- 연구 과정에서 어려움이 있었다면 무엇인가.

▲뼈 재료를 소재에 적용할 때 표면에 정확하게 적용됐는지 여부가 잘 확인이 안됐다. 그래서 뼈 물질만 따로 모의실험을 해서  뼈 재료가 생성되는 최적조건을 알아냈다. 이후 소재에 적용해 특성이 향상된 소재를 얻을 수 있었다.

- 이번 연구의 의미는 무엇인가.

▲무엇보다 인체 소재가 재료공학과 전기화학 분야에 적용돼 뛰어난 특성을 갖는 새로운 소재로 개발됐다는 것이다. 자연의 물질보다 완벽한 물질은 없다.

- 연구과정에서 에피소드가 있었다면?

▲의학 분야 소재를 소재공학에 적용한 사례가 드물어 연구 초기에 어려움이 많았다. 특히 다(多)학문 간 접목하는 과정이 어려웠다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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