기계공학부, 성균나노과학기술원, 화학공학/고분자 공학부 김재훈 교수 연구팀 (제1저자 Stevanus Alvin 및 Handi Setiadi Cahyadi 연구원)이 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 곽상규 교수 연구팀과 공동으로 중대형 전력저장용 베터리용 음극소재로 각광받고 있는 하드카본의 리튬, 나트륨 및 칼륨 이온저장 메커니즘을 규명하여 안전하고 용량이 높은 소재 개발에 새로운 길을 제시했다고 밝혔다.

태양광, 풍력 등 전기출력특성이 균일하지 않은 신재생에너지의 지속적인 활용을 위해 신재생 전기를 저장해서 필요할 때 사용할 수 있는 중대형 에너지저장시스템 개발이 필수적이다. 하지만 리튬이온전지는 불안전성 및 높은 가격으로 에너지저장시스템의 저변확대에 어려움을 격고 있다. 이에 리튬 대비 매우 풍부하고 저가인 나트륨 및 칼륨을 하드카본에 저장하는 전지가 각광받고 있으나 이온저장 메커니즘이 규명되지 않아서 고용량 배터리 개발에 어려움이 많았다.

이에 연구팀은 리그닌을 원료로 하드카본을 합성하였고, 리튬, 나트륨 및 칼륨의 충전 및 방전 중에 변화하는 하드카본의 물리화학적 성질 변화에 대한 체계적인 연구를 진행하였다. 또한 밀도 범함수 이론 계산 결과를 바탕으로 기존에 밝혀지지 않았던 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 삽입될 때 그래핀 층이 확장되었으며, 그래핀 층의 확장 효과가 없는 리튬보다 나트륨 및 칼륨의 저장에서 더 많은 용량을 보이게 되는 것을 규명하였다. 

나아가 연구팀은 리튬, 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 충전 및 방전될 때 저장 메커니즘을 규명하고, 하드카본 음극소재의 용량 및 안전성 향상을 위한 인자를 제시하였다. 

본 연구는 새로운 접근방법 및 통찰을 바탕으로 중대형 전력저장용 배터리의 안전성 및 용량 개선을 위한 방안을 제공함으로써 신재생에너지 전력저장 시스템 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 

Handi Setiadi Cahyadi 연구원은 “그간 논란이 되어왔던 하드카본의 이온저장 메커니즘을 실험 기법 및 이론 기법을 이용하여 밝혀냄으로써 향후 중대형 전력저장용 저가 음극소재 개발에 활용 가능하다”고 말했다.

본 연구는 한국연구재단의 기후변화대응사업(2017M1A2A2087635)와 환경산업기술원 폐자원에너지화기술개발사업(2018001580001)의 지원으로 수행되었다.

본 연구결과는 소재과학 분야 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Energy Material’에 4월 15일(수) 온라인 게재되었으며, 5월 26일(화) 저널의 커버로 발표되었다.
    ※ 논문명: Intercalation Mechanisms: Revealing the Intercalation Mechanisms of Lithium, Sodium, and Potassium in Hard Carbon
    ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000283

Li, Na 및 K- 이온이 하드카본에 삽입될 때 이온 및 카본층의 전자 반경 및 전위의 차이를 보여주는 모식도. 가장 큰 전자 반경을 갖는 K- 이온은 후속 K- 이온이 하드 카본의 층간 공실 내로 더 깊이 침투 할 수 있는 가장 넓은 입구 팽창 (edge expansion)을 보여줌.