나트륨 이차전지는 현재 이차전지 시장의 대부분을 차지하고 있는 리튬 이차전지와 비슷한 원리를 가지고 있으면서 리튬에 비해 매장량이 풍부해 차세대 이차전지로 불리며 많은 연구가 이루어지고 있는 전지다.

그러나 최근까진 전지 특성(전압, 용량, 수명)이 현저하게 떨어진다는 단점을 가지고 있어 상용화를 위해서는 충·방전 사이클 특성이 우수한 고용량 나트륨 이차전지 전극 소재 개발이 시급한 과제로 남아있었다.

하지만 이제 전압, 용량, 수명과 관련된 나트륨 이차전지의 단점 중 용량이 크게 개선돼 매장량이 풍부한 나트륨 이차전지의 상용화에 빛을 보게 됐다.
국내 연구진에 의해 흑린을 이용한 고용량 나트륨 이차 전지 음극 물질이 개발됐기 때문이다.

스탠포드대학교 재료공학과 이추이(YiCui, 교신저자) 교수팀에서 박사 후 연구원 연수 중인 이현욱 박사가 공동 제1저자로 참여한 연구팀은 흑린과 그래핀(Graphene)을 겹겹이 구성해 나트륨 이온이 반응하기에 적합한 구조를 만든 결과, 기존의 나트륨 이차전지 음극소재로 연구되고 있는 탄소류의 Hard carbon에 비해 약 8배 향상된 용량을 가지는 것을 확인했다고 밝혔다. 현재 리튬 이차전지에 상용화되고 있는 흑연 음극에 비해서도 약 7 ~ 8배 높은 값이다.

흑린(Black Phosphorus)은 결정 구조와 겉모습이 흑연과 비슷하며, 그래핀과 같은 2차원 반도체 소자 재료로 많은 연구가 이뤄지고 있는 소재다.

이현욱 연구원은 “나트륨 이차전지에 적합한 음극 물질을 개발함으로써 나트륨 이차전지 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”며 “본 연구는 다양한 전지내에서의 실제 반응을 관찰해 고배율 투과전자현미경을 통한 효과적인 방법을 제시한 것에 의미가 있다”고 밝혔다.

이차전지가 노트북, 휴대폰과 같은 전자 기기를 넘어 전기 자동차와 에너지 저장창고 등 응용 범위가 넓음에 따라 새로운 소재 연구에 이바지할 수 있는 도약 연구가 될 것으로 기대를 모으고 있다.

연구진은 상용화에 대해 “이차전지에 대한 높은 관심으로 전반적인 투자와 인프라가 구축된다면, 5년 이내에 상용화 가능성을 내다볼 수 있을 것”이라고 전했다. 아울러 이에 대한 선행 과제로서 “더욱 안정된 특성을 가질 수 있도록 차후 연구개발이 요구된다”고 밝혔다.

본 연구를 통해 개발한 새로운 나트륨 이차전지 음극 물질은 기존의 음극 물질과 비교해 용량 향상과 높은 출력 파워를 가졌기 때문에 나트륨 이차전지기술 개발에 큰 기여를 하게 될 전망이다. 또한 인시츄(in-situ) 투과전자현미경 방법을 통한 실시간 반응 관찰은 새로운 분석 방법으로, 다양한 물리적, 화학적 분석의 토대가 되어 과학적으로도 큰 기여가 예상된다.

이번 연구 결과는 나노과학 분야의 권위있는 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 온라인판에 최근 게재됐다.