경희대학교(총장 한균태) 식물·환경신소재공학과 이정태 교수 연구팀이 다중 산화·환원 반응 물질의 수명향상을 위한 새로운 구동 전략을 제시했다. 관련 연구 결과는 <Operational strategy for multiredox-reaction electrodes for long-lifespan Na-ion hybrid capacitors>라는 제목의 논문으로 국제학술지인 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal>(IF=15.1)의 11월 호에 게재됐다. 

에너지 저장에 관한 관심과 필요가 증대되고 있다. 소형 전자기기부터 대용량 전력 저장장치 등 일상생활 곳곳에서 에너지 저장 소자가 쓰이고 있다. 에너지 저장 소자에는 주로 ‘리튬(Lithium)’이 활용됐다. 충전해 사용하는 ‘리튬이온 배터리’의 핵심 소재이다. 가벼우면서 대용량이며 효율적으로 전기를 만들 수 있어 휴대전화, 컴퓨터 등 전자기기에 널리 사용된다. 하지만 리튬은 특정 지역에서만 생산되고 매장량도 적어 대체재의 개발이 시급한 실정이다. 

리튬의 대체재로 주목받은 소재는 ‘나트륨’으로 ‘고성능 나트륨 저장 재료’ 개발의 당위성이 대두되고 있다. ‘다중 산화·환원 반응(Multiredox-reaction) 물질’을 활용해 제작된 이 재료는 고에너지 나트륨 이온 전지(SIBs)와 나트륨이온 하이브리드 커패시터(SICs)의 제조에 활용된다. 성능이 탁월한 이 소재는 충·방전 과정에서 여러 원소가 다양한 산화·환원 반응을 일으켜 수명이 길지 않은 단점 때문에 활용되지 못했었다. 

이정태 교수는 다중 산화·환원 반응 물질의 문제점을 해결하기 위해 연구를 수행했다. 연구팀은 고성능 나트륨이론 배터리 전극 물질인 ‘Na2VTi(PO4)3(NVTP)’을 통해 다중 산화·환원 반응 물질의 수명을 늘릴 수 있는 전략을 도출했다. 이 물질은 V2+/V3+, Ti3+/Ti4+, V3+/V4+ 등 세 가지 산화·환원 반응을 이용한다. 연구팀은 고도 전기화학 분석에 집중해 다중 산화·환원 반응 물질이 일으키는 세 가지 산화·환원 반응의 근본적 특성을 살폈다. 그 결과 수명 감소에 가장 치명적 영향을 미치는 산화·환원 반응을 찾을 수 있었다.이후 특정 반응을 나트륨이온 배터리와 하이브리드 커패시터에서 효과적으로 제거할 수 있는 구동 전략을 세웠다. 

효과는 탁월했다. 기존의 나트륨이온 배터리가 300사이클 동안 41%의 용량을 유지했던 것과 비교해 91%의 용량을 유지했고, 하이브리드 커패시터는 5000사이클 동안 60%를 유지한 기존에 비해 80%를 유지했다. 이정태 교수는 “이번 연구는 다중 산화·환원 물질에 대한 기본적 이해를 바탕으로 고성능 나트륨이온 전지와 하이브리드 커패시터의 설계, 개발 및 구동에 새로운 패러다임을 제시할 수 있었다”라고 평가했다. 

이번 연구는 이정태 교수와 경희대 일반대학원 석사과정 홍태화, 김제덕 학생이 주도했고, 포항공과대학교 화학공학과 조창신 교수가 공동으로 연구했다. 한국연구재단과 한국임업진흥원의 지원을 받았다. 이 교수는 후속 연구도 포스텍과 함께 진행할 계획이다. 그는 “후속 연구를 통해 나트륨 기반 에너지 저장 소재를 포함해, 더욱 다양한 차세대 에너지 저장 소재를 연구·개발할 것이다. 뛰어난 경희대 학생과 포스텍 학생 간의 교류로 새로운 아이디어를 발전시켜 과학기술발전에 기여할 연구를 수행하겠다”라고 밝혔다. 

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