한영규 동국대 융합에너지신소재공학과 교수팀이 제일원리 분자동역학 시뮬레이션을 통해 충·방전 시 알루미나 코팅층을 통과하는 나트륨 이온들의 일부가 코팅층에 갇혀서 전극을 효과적으로 보호하는 나트륨-알루미나 층이 형성되는 현상이 속도론적 원인에 의한 것임을 밝혀냈다.
한 교수는 “연구를 통해 리튬이온에 비해 원자반경이 더 큰 나트륨이온이 전극 코팅재로 널리 사용되는 알루미나 층을 통과할 때 더 느리게 통과할 것이라는 예상과는 달리 리튬이온에 비해 최소 100배 이상 더 빨리 통과한다는 것을 알아냈다”고 말했다.
연구결과를 바탕으로 연구팀은 알루미나 코팅층에 들어온 나트륨이온 혹은 리튬이온들이 임계 이온 확산도에 도달해야만 코팅층을 통과해 인접한 전극 혹은 전해질로 확산될 수 있다는 근거를 제시했다.
이번 연구로 이차전지의 핵심 캐리어인 나트륨이온과 리튬이온의 코팅재 통과 시의 열역학적, 속도론적 특성을 규명함으로써 향후 높은 충·방전 효율을 갖는 이차전지 전극에 최적화된 코팅재 계발의 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 또 이번 연구결과는 코팅층뿐만 아니라 비정질 소재 내 캐리어 이동에까지 널리 적용될 수 있어 비정질 음극소재 연구 전반에 활용될 수 있다.
이번 연구는 동국대의 한영규 교수의 주도하에 융합에너지신소재공학과정성철 박사의 연구로 성과를 이루었으며 미래창조과학부의 기후변화대응사업, 산업통상자원부 에너지기술개발사업의 공동지원으로 진행됐다. 연구결과는 나노과학 분야의 최고 권위지인 나노 레터스 10월 6일자로 인터넷판에 게재됐다.
김명희기자 noprint@etnews.com
