DGIST, 차세대 이차전지 성능 향상 핵심 소재 개발

▲칼슘이온 탈·삽입 메커니즘 분석 결과의 시각적 모식도. (a)는 X선 회절분석 기법을 통해 밝혀진 전극의 초기구조 및 칼슘이온이 삽입된 후 변화된 구조의 전자밀도. (b)는 칼슘이 구조에 탈·삽입 되는 경로를 3차원 구조에 시각적으로 표현했다. (사진제공=대구경북과학기술원)

국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목받는 칼슘이온전지의 성능을 높이는 핵심 소재 개발에 성공했다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학전공 홍승태 교수 연구팀이 차세대 이차전지로 주목받는 칼슘이온전지용 양극 소재인 NaV2(PO4)3를 개발했다고 24일 밝혔다. 이번 연구성과로 기존에 사용되는 리튬이온전지의 용량과 성능을 개선한 칼슘이온전지의 상용화가 앞당겨질 전망이다.

리튬이온전지는 모바일 기기 및 전기차 등 다양한 분야에 적용되고 있는 대표적인 이차전지이나 구현 가능한 에너지밀도가 한계에 근접한 상황이다. 이에 칼슘이온을 이용한 이차전지 연구가 주목받고 있다.

이차전지는 이온이 전자와 함께 양극과 음극을 이동하면서 충전과 방전이 일어난다. 이때 이동하는 전자의 수와 양극 소재의 특성에 따라 배터리 용량과 전압이 결정된다. 리튬은 이온당 한 개의 전자가 같이 이동하지만 칼슘은 이온당 두 개의 전자가 이동 가능한 2가 양이온이다. 이론상 리튬이온전지보다 2배의 용량이 가능하며 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다. 또한 지구상에 풍부한 원소인 칼슘을 이용하기 때문에 경제적이기도 하다.

연구팀은 칼슘이온의 특징을 고려해 높은 구조적 안정성을 가진 나시콘 구조(NASICON) 기반의 양극 소재인 NaV2(PO4)3를 개발했다. 연구팀은 NaV2(PO4)3의 구조 분석과 칼슘의 탈ㆍ삽입 메커니즘 분석을 위해 분말 X선 회전기법을 이용했다. 양극 소재 구조에 칼슘이온이 탈ㆍ삽입되는 과정에서 발생하는 구조 변화를 규명하면서 높은 용량과 작동전압이 구현 가능함을 증명했다.

DGIST 홍승태 교수는 “탈ㆍ삽입 기반의 칼슘이온 이차전지용 양극 소재를 개발하고 작동 메커니즘을 최초로 규명했다”며 “이러한 작동원리를 적용하면 더욱 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 칼슘이온전지용 양극 소재 개발의 지표가 될 것”이라고 밝혔다.