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| ▲ (왼쪽부터) 이소현(신소재공학부 석사과정), 김주형 교수 |
[뉴스스텝] 경상국립대학교(총장 권진회) 신소재공학부(세라믹공학전공) 김주형 교수 연구팀이 나트륨 금속전지의 수명을 떨어뜨리는 덴드라이트(dendrite, 나뭇가지 모양의 금속 결정) 성장과 전극 표면의 불안정한 보호막(계면층) 형성을 함께 억제하는 나트륨 금속 음극 기술을 개발했다. 연구팀이 개발한 전극은 대칭셀 시험에서 1,000시간 이상 안정적인 충·방전 성능을 보였다.
나트륨 금속은 이론용량이 높고 산화환원 전위가 낮은 데다, 자원이 풍부하고 가격 경쟁력이 높아 차세대 고에너지밀도 이차전지의 음극 소재로 주목받고 있다. 특히 리튬 자원에 대한 의존도를 낮출 수 있어 대규모 에너지저장장치(ESS) 등에서 활용 가능성이 높은 소재로 평가된다. 그러나 충·방전을 반복하면 나트륨이 전극 표면의 특정 위치에 집중적으로 쌓이면서 덴드라이트가 자란다. 덴드라이트는 전지의 수명과 효율을 떨어뜨리고 내부 단락을 일으킬 수 있어 실용화의 핵심 난제로 꼽힌다. 또 전극과 전해질 사이의 계면층이 반복적으로 깨지고 다시 만들어지면서 활성 나트륨과 전해질이 계속 소모되는 문제도 있다.
연구팀은 금속 나트륨 자체의 내부 구조를 새로 설계하는 방식으로 이 문제에 접근했다. 나트륨과 안티모니(Sb)를 이용해 금속 나트륨 내부에 연속적으로 연결된 Na₃Sb(나트륨-안티모니 화합물) 골격을 만들고, 이를 나트륨이 고르게 쌓이도록 이끄는 일종의 '가이드 프레임'으로 활용했다. Na₃Sb는 금속 나트륨보다 친나트륨성(sodiophilic, 나트륨과 잘 결합하는 성질)이 높아, 나트륨이 안정적으로 자라기 시작하는 핵생성 지점 역할을 한다. 동시에 3차원으로 연결된 골격이 전극 전체에서 나트륨 이온(Na⁺)의 이동과 분포를 균일하게 조절해, 특정 부위에 나트륨이 몰려 자라는 현상을 억제했다.
그 결과 불규칙한 덴드라이트 대신 균일하고 치밀한 나트륨 석출이 유도됐고, 안정적인 고체전해질계면(SEI, Solid Electrolyte Interphase) 형성도 촉진됐다. 이번 결과는 덴드라이트를 사후에 억제하는 데 그치지 않고, 나트륨이 쌓이는 과정 자체를 구조적으로 제어하는 음극 설계 방식을 제시했다는 데 의미가 있다.
이번 연구 결과는 'Sodiophilic Na3Sb Framework-Regulated Sodium Deposition and Interphase Evolution for Dendrite-Free and Long-Life Sodium Metal Batteries'라는 제목으로 와일리(Wiley)가 발행하는 국제학술지 《Advanced Science》(IF 14.1, JCR 나노과학·나노기술 분야 상위 11.8%, 2025 JCR 기준)에 게재됐다.
김주형 교수는 "나트륨 금속전지의 수명을 늘리려면 이미 자란 덴드라이트를 억제하는 것만으로는 한계가 있으며, 나트륨 이온이 이동하고 핵을 형성해 금속으로 성장하는 과정부터 계면층이 형성되는 과정까지 함께 제어하는 것이 중요하다"라며 "이번 연구는 친나트륨성 Na₃Sb 골격으로 나트륨 석출과 계면 반응을 동시에 안정화할 수 있음을 보여준 것으로, 고에너지밀도와 장수명을 함께 요구하는 차세대 나트륨 금속전지 실용화를 위한 새로운 소재 설계 방향을 제시할 것으로 기대한다"라고 말했다.
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