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| ▲ 경상국립대학교 문준하 박사, 한국생산기술연구원 남득현 박사과정, 한국생산기술연구원 명윤 선임연구원, 경상국립대학교 화학과 최재원 교수(왼쪽부터) |
[뉴스스텝] 경상국립대학교(GNU·총장 권진회) 자연과학대학 화학과 최재원 교수 연구팀(주저자 문준하 박사)과 한국생산기술연구원 명윤 선임연구원 연구팀(주저자 남득현 박사과정)이 공동연구를 통해 차세대 배터리인 나트륨 이온 배터리(SIB, Sodium-Ion Battery)의 새로운 음극재를 개발했다.
나트륨 이온 배터리의 연구에서는 이온의 크기와 무게로 인해 사이클 동안 성능과 사이클 안정성에 대한 문제가 발생해왔다. 연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 나노 황화철을 탄소 내부에 캡슐화해 구조적 붕괴를 억제하고, 동시에 비표면적이 큰 중공 탄소 구조를 적용해 반응 활성과 이온 이동을 강화하는 전략을 제시했다.
개발된 중공탄소-황화철 복합소재 전극은 1.0 A/g에서 280회 충·방전 후 450 mAh/g, 2.0 A/g에서 300회 충·방전 후 350 mAh/g의 우수한 용량을 유지했으며, 기존 FeS 대비 전기화학적 성능 및 안정성이 크게 개선됐음을 확인했다.
또한, 중공 탄소 기반 복합 구조의 장점을 활용해 고온(60°C) 환경에서도 안정적인 성능을 입증했다. 60°C에서 1.0 A/g 조건으로 100사이클 동안 650 mAh/g의 높은 용량을 나타내며, 고온 환경에서도 안정적으로 작동 가능한 차세대 나트륨 이온 배터리 음극재 후보로서의 가능성을 제시했다.
연구팀은 성능 향상 원인을 규명하기 위해 실시간 저항 분석(In-situ EIS)을 수행했으며, H-C@FeS 전극은 사이클이 진행될수록 전기화학적 저항이 감소하는 경향을 보였다. 이로써 이온전도도 개선 및 반응 동역학적(kinetics) 향상이 성능과 수명 특성 향상으로 이어졌음을 보고했다.
위 연구 성과는 녹색 및 지속 가능한 과학 기술(Green & Sustainable Science & Technology) 분야 세계적 학술지 《에코 맷(Ecomat)》(IF 12.6, JCR 상위 6.3%)에 게재됐다. (논문명: ‘고온 안정성과 장수명을 갖는 FeS@중공탄소 복합체를 고성능 나트륨 이온 배터리용 양극 소재로 활용(High-Temperature Stable and Long-Life FeS@Hollow Carbon Composite as Anode Material for High-Performance Sodium-Ion Batteries))
이번 연구는 한국연구재단 신진연구, 지램프(G-LAMP) 사업, 기초연구실, 박사과정생연구장려금지원사업, 박사후연구생 연구장려금지원사업, 경남우주항공방산과학기술원(GADIST) 개척연구팀 및 4단계 두뇌한국21(BK21) 지원사업으로 수행됐다.
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