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숙명여자대학교 연구처 · 산학협력단

숙명여자대학교 화학과 최재원 교수 연구팀이 이화여자대학교 화학·나노과학과 홍승우 교수 연구팀과 공동으로 서로 다른 두 종류의 배터리에 모두 활용할 수 있는 새로운 전극 소재를 개발했다.

연구팀은 구리·인듐 황화물과 탄소나노튜브를 결합한 복합소재를 개발하고, 이를 소듐이온전지와 수계 구리이온전지에 각각 적용해 우수한 충·방전 성능과 장기 안정성을 확인했다. 하나의 소재를 서로 다른 방식으로 작동하는 배터리에 활용할 수 있다는 점에서 차세대 이차전지 소재 개발의 가능성을 넓힌 성과로 평가된다.

이번 연구에는 진영호 박사가 제1저자로 참여했으며, 최재원 교수와 홍승우 교수가 공동교신저자를 맡았다. 연구 성과는 국제 저명 학술지 「Small」(영향력지수 IF 11.9, 응용물리학 분야 상위 8.1%)에 10월 22일 게재됐다.

최근 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등의 수요가 증가하면서 기존 리튬이온전지를 보완할 차세대 배터리 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 소듐이온전지는 원료인 나트륨을 풍부하게 확보할 수 있다는 장점이 있어 주목받고 있다. 물을 기반으로 한 전해질을 사용하는 수계 구리이온전지 역시 새로운 에너지 저장 기술로 연구되고 있다.

하지만 이러한 배터리의 성능을 높이기 위해서는 해결해야 할 과제가 있다. 배터리는 충전과 방전 과정에서 이온이 전극 내부를 이동하며 에너지를 저장하고 방출하는데, 이 과정이 원활하지 않거나 반복적인 사용으로 전극 구조가 변형되면 성능이 떨어질 수 있기 때문이다.

연구팀은 이러한 문제를 개선하기 위해 구리·인듐 황화물(CuInS₂) 입자를 탄소나노튜브(CNT)와 결합한 복합 전극 소재(CuInS₂@CNT)를 개발했다.

탄소나노튜브는 탄소 원자로 이루어진 매우 가느다란 관 형태의 물질로, 전기가 잘 통하는 특성을 지니고 있다. 연구팀은 이를 활용해 전극 입자 사이에 전자가 원활하게 이동할 수 있는 통로를 만들고, 충전과 방전을 반복하더라도 전극 구조가 안정적으로 유지되도록 설계했다.

실험 결과는 두 종류의 배터리에서 모두 우수하게 나타났다. 개발 소재를 소듐이온전지의 음극에 적용했을 때는 높은 전류 조건에서 1,000회 충·방전 후에도 339.1mAh/g의 용량을 나타냈다. 같은 소재를 수계 구리이온전지의 양극에 적용했을 때도 2,000회 충·방전 후 243.1mAh/g의 용량을 기록했다.

이는 개발한 소재가 빠른 충·방전이 요구되는 조건에서도 여러 차례 반복 사용이 가능하다는 점을 보여준다.

연구팀은 나아가 같은 소재가 서로 다른 배터리에서 어떻게 작동하는지도 분석했다. 그 결과, 소듐이온전지에서는 충·방전 과정에서 전극 내부의 결정 구조가 변화하는 반면, 수계 구리이온전지에서는 기본 결정 구조가 대체로 유지되는 차이를 확인했다.

이처럼 이온과 전해질의 종류에 따라 에너지를 저장하는 방식은 달랐지만, 탄소나노튜브가 전자의 이동을 돕고 전극 입자 간 연결을 유지하는 역할은 두 배터리에서 공통적으로 나타났다.

이번 연구는 하나의 복합소재를 서로 다른 배터리 시스템에 적용할 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 있다. 또한 배터리의 종류와 작동 환경에 따라 달라지는 전극의 특성을 규명함으로써, 향후 성능과 안정성을 높인 차세대 이차전지 소재를 설계하는 데 중요한 기초 자료를 제공할 것으로 기대된다.

최재원 교수는 “이번 연구는 하나의 전극 소재가 서로 다른 두 종류의 배터리에서 안정적으로 작동할 수 있다는 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “특히 탄소나노튜브를 활용해 전극의 전기전도성과 구조적 안정성을 높인 만큼, 앞으로 다양한 차세대 이차전지에 적용할 수 있는 고성능 전극 소재 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구실(BRL) 사업 등을 비롯한 연구지원과 경상국립대학교 Glocal University 3.0 Project Fund의 지원을 받아 수행됐다.