β-FeOOH/CNT 복합체에 대한 반복적인 전환반응의 개략도(그림. 한국연구재단)
이번 연구를 통해서 FeOOH + Na++ e- → FeO + NaOH의 반응과정을 규명했으며, 이전에 보고된 금속 + NaxO 까지 나오는 일반적인 전환반응이 아닌 FeO + NaOH가 형성되고 가역적으로 기존의 물질로 되돌아가는 반응을 확인했다.
한국연구재단은 세종대 명승택 교수 연구팀이 매장량이 풍부한 철 산화물과 전기 전도도가 높은 신소재 탄소나노튜브를 결합해 나트륨이온 전지의 신개념 양극 소재 복합체를 개발했다고 밝혔다.
이차전지 원료로 가장 많이 활용되는 리튬은 매장량이 많지 않고 가격이 비싸 이를 대체할 수 있는 나트륨이온 전지의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 하지만 나트륨이온 전지의 양극 소재로 개발된 물질들은 대부분 전기 전도도가 낮아 충·방전 속도가 느리거나 안정성 저하의 문제가 있었다.
명승택 교수팀은 신개념 이차전지 양극재로 가장 풍부한 자원 중 하나이자 다른 금속에 비교해 상대적으로 저렴한 철(Fe) 산화물 중 터널 구조를 갖는 베타-산화철 수산화물(β-FeOOH)에 주목했다. 여기에 전기 전도도가 높은 탄소나노튜브(CNT)를 결합해 높은 전류밀도에서도 우수한 방전 용량을 보이는 복합체 산화철(3가) 수산화물/탄소나노튜브(β-FeOOH/CNT)를 합성했다.
연구팀은 합성된 β-FeOOH/CNT를 X선 회절기 등의 분석 장비를 이용해 물성 실험을 진행한 결과, 기존 학계에 보고된 금속과 산화나트륨(NaxO)이 나오는 전환반응과 달리 산화철(FeO)과 수산화나트륨(NaOH)이 나오는 새로운 반응 메커니즘을 확인했다.
또한 탄소나노튜브의 높은 전기 전도성으로 나트륨 저장을 위한 신속한 전환반응이 가능하다는 점과 탄소나노튜브가 β-FeOOH와 복합체를 형성했을 때 뛰어난 전기적 성능을 발휘한다는 점을 규명했다.
명승택 교수는 “이 연구는 가격이 저렴한 철 이온 화합물을 이용해 새로운 전환반응을 하는 우수한 양극 소재를 개발해 고가의 리튬이온전지를 나트륨이온 전지로 대체할 수 있는 기반을 마련한 것”이라며 “앞으로 나트륨이온 전지와 전고체전지 등에 충분히 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리 사업 등의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 나노 에너지(Nano energy) 10월 10자 논문으로 게재되었다.
★ 용어설명 ★
* 산화철수화물(β-FeOOH)
-> 연구팀이 전지의 양극활물질로 활용한 산화철수화물을 말한다.
* 탄소나노튜브 CNT
-> 탄소 6개로 이루어진 육각형이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재 카본나노튜브로 전기 전도도가 우수하다.
★ 연구 이야기 ★
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 현재 나트륨이온 전지의 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 비용이 저렴하고 비교적 안전한 철계 물질을 양극재로서 적용하고 싶었고, 그중에서 터널 구조라는 독특한 구조적 특성을 가진 물질을 활용해 뛰어난 성능을 갖는 전지를 개발하고 싶었다.
Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. β-FeOOH 자체로는 전기전도성이 현저히 낮다. 전기전도성을 월등히 향상시키기 위해 탄소나노튜브와의 복합체를 만들고자 했고, 결합력을 향상시키기 위해 산처리를 한 탄소나노튜브를 활용해 β-FeOOH/CNT복합체를 형성했다. 그 결과 수명특성과 고율특성에서 매우 뛰어난 전기화학적 성능을 발휘하는 것을 확인했고, 전기화학적 반응 간의 구조적 변화를 규명하기 위해 여러 고도 장비를 도입했다. 이로써 우리가 예상치 못했던 새로운 반응의 전환 메커니즘을 규명할 수 있었다.
Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 해결(극복)했는지.
A. 현재 4학년 과정을 수학 중이라 많은 전공과목 등을 수학하고 그와 동시에 실험도 해야 하는 것이 힘들었다. 특히 시험 기간과 겹칠 때가 매우 힘들었지만, 명승택 교수님과 현재 박사과정 중인 조재현 선배로부터 많은 실험적인 도움을 받아 난관을 극복할 수 있었다.
Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 기존에 학계에 보고된 바로는 β-FeOOH는 저전압범위에서 전환반응을 하고 고전압 범위에서는 Na의 삽입반응을 하는 것으로 보고되었다. 하지만 본 연구팀이 밝혀낸 반응은 기존에 보고된 고전압 범위에서의 반응을 뒤엎을 수 있는 전환반응이었고, 기존에 알려진 전환반응과 다른 반응을 규명했다. 반응은 다음과 같다. FeOOH + Na+ + e- → FeO + NaOH. 위와 같은 반응을 통해 FeO + NaOH가 형성되고, 극심한 구조적 변화를 겪었지만 물질은 가역적으로 기존의 물질 구조로 되돌아가는 반응을 확인했다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 앞으로 꾸준히 연구를 진행해 해외 학회에서 연구 성과를 알리고 싶다. 또한 실력을 키워 세계 저명한 저널에 많은 논문을 게재하고 싶은 바람이다. 앞으로 나트륨이온 전지뿐만 아니라 리튬이온전지에 대한 연구도 하고 싶다.
Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면.
A. 처음 물질의 형편없는 성능에 많은 실망과 함께 ‘다른 물질로 전향해야 하나’라는 고민을 매우 많이 했었다. 하지만 교수님의 지도를 통해 포기하지 않고 연구를 진행했고, 전기화학적 반응 간의 엑스선 회절을 측정하는 도중 예기치 못한 FeO + NaOH의 컨버전 반응을 발견하고 더 연구를 활발하게 진행하는 계기가 되었다.
