경북대학교는 김영규 화학공학과 교수팀이 물 기반 공정으로 제조한 난연성 나트륨 이온 고체전해질을 개발했다고 26일 밝혔다.
이번에 개발한 기술은 불에 잘 타지 않는 특성과 친환경 제조 방식을 갖추면서도 전기화학적 성능을 크게 높여 저렴한 비용으로 화재 위험을 줄인 에너지저장장치에 적용할수 있을 것으로 기대된다.
현재 상용 리튬이온전지는 유기용매 기반 액체 전해질을 사용한다. 이 유기용매는 인화성이 있어 화재 위험이 있고, 제조 과정에서도 유해성 관리가 필요한 물질이다.
연구팀은 이를 보완하기 위해 제조 단계에서 유기용매 대신 물을 사용하는 수계 공정을 도입했다. 전하 운반체로는 고가의 리튬 이온 대신 바닷물 등에 풍부한 값싼 나트륨 이온을 활용, 원가 부담을 낮췄다.
전해질 설계에서는 인을 포함한 첨가제(SHMP:헥사메타인산나트륨)를 적용해 내부 구조를 조절했다. SHMP는 고분자 사슬과 상호작용해 나트륨 이온 이동 경로를 확장하는 역할을 한다. 그 결과 이온전도도는 기존 대비 약 5배 향상됐다. 또 인 성분은 열을 받으면 보호층을 형성해 화염 노출 조건에서도 전해질이 쉽게 타지 않고 형태를 유지했다. 이 고체전해질을 적용한 소자는 반복 충·방전 2천회 이후에도 초기 정전용량의 99.68%를 유지해 성능 유지 능력을 입증했다.
김영규 교수는 “이번 연구는 친환경과 난연성을 동시에 확보하면서 나트륨 기반 고체전해질의 전기화학적 성능을 개선한 사례다. 나트륨은 리튬보다 자원 접근성이 높아 비용 부담을 낮출 수 있으면서 화재 위험을 줄인 에너지저장장치 구현이 가능하다”면서 “전기자동차와 휴머노이드 로봇(Physical AI) 등 안전성이 중요한 분야에서 활용 가능성이 있을 것으로 기대한다”고 했다. 그는 또 “후속 고도화·사업화 연구는 대구시 소재 에너지 기업들과 공동으로 기후에너지환경부의 '대구권 에너지기술공유대학'사업 일환으로 진행할 예정이다”고 밝혔다.
이번 연구는 기후에너지환경부의 에너지인력양성사업, 교육부의 대학중점연구소지원사업으로 수행됐다. 교신저자는 김영규 교수, 제1저자는 디푸 무루카다스 박사과정생(에너지융합및기후변화학과)이며, 박다연 석사과정생(반도체융합공학부), 김민재 석박사연계과정생(반도체융합공학부), 김화정 연구초빙교수(환경과학기술연구소)가 참여했다.
한편, 연구 결과는 최근 스프링거 네이처(Springer Nature)가 발행하는 국제학술지 '마이크로시스템즈&나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
