배터리융합공학과

KANGWON NATIONAL UNIVERSITY

강원대학교(총장 정재연) 춘천캠퍼스(캠퍼스총장 유기억) 문화예술·공과대학 배터리융합공학과 김현경 교수 연구팀이 천연 맹그로브 목재를 활용해 나트륨이온전지의 저장용량과 수명을 동시에 향상시킬 수 있는 고성능 하드카본 음극재 기술을 개발했다.

이번 연구성과는 영향력지수(Impact Factor) 13.8로 JCR 기준 관련 분야 상위 10% 이내에 해당하는 에너지·환경소재 분야 국제학술지 「Energy & Environmental Materials」 11월호에 게재됐다.

나트륨이온전지는 풍부한 원료 자원과 가격 경쟁력을 바탕으로 리튬이온전지를 보완할 차세대 에너지저장 기술로 주목받고 있다. 그러나 핵심 소재인 하드카본 음극재의 낮은 초기 효율과 제한적인 저장용량, 반복적인 충·방전에 따른 성능 저하 등이 상용화를 위한 주요 해결 과제로 남아 있다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 천연 맹그로브 목재의 탄화 조건을 최적화하고, 피치(Pitch) 유래 소프트카본 코팅 기술을 접목한 새로운 음극재 설계 전략을 제시했다.

이를 통해 나트륨 저장에 유리한 내부 기공구조를 형성하는 동시에 표면 결함과 전해질 부반응을 억제해 전극의 효율과 안정성을 높였다.

특히 연구팀이 개발한 음극재는 292mAh/g의 가역용량과 82% 이상의 초기 쿨롱효율을 달성했으며, 200회 충·방전 이후에도 초기 용량의 90.4%를 유지하는 우수한 성능을 보였다. 이는 탄소소재의 내부 구조와 표면 특성을 동시에 제어해 하드카본 음극재의 초기 효율과 장기 수명 특성을 개선할 수 있음을 보여주는 결과다.

연구팀은 ▲X선 회절 분석(XRD) ▲라만 분광 분석 ▲X선 광전자 분광 분석(XPS) ▲투과전자현미경(TEM) ▲소각 X선 산란 분석(SAXS) 등 다양한 분석 기법을 활용해 성능 향상의 원리도 규명했다.

분석 결과, 최적화된 내부 폐기공(Closed Pore)은 나트륨 저장용량 향상에 기여했으며, 소프트카본 코팅은 안정적인 전극·전해질 계면을 형성하고 비가역적인 나트륨 소모를 억제하는 역할을 하는 것으로 나타났다.

이번 연구는 단순히 탄화 온도를 높이거나 코팅량을 늘리는 방식에서 벗어나, 나트륨 저장에 유리한 내부 구조와 안정적인 표면 특성의 균형을 정밀하게 제어하는 소재 설계 원리를 제시했다는 점에서 주목된다.

특히 천연 바이오매스를 고부가가치 배터리 소재로 활용함으로써 음극재 원료의 다변화와 지속가능한 에너지저장 기술 개발에 새로운 가능성을 제시했다.

이번 연구에는 강원대학교 배터리융합공학과 신형근·김규린·한성주 석사과정생과 철원플라즈마산업기술연구원 연정미 연구원이 공동저자로 참여했으며, 김현경 교수가 교신저자로 연구를 이끌었다.

대학과 지역 연구기관의 협력을 통해 차세대 배터리 소재 분야의 연구성과를 창출했다는 점에서도 의미가 있다.

김현경 배터리융합공학과 교수는 “이번 연구는 천연 바이오매스의 내부 구조와 표면 특성을 정밀하게 제어해 나트륨이온전지 음극재의 효율과 수명을 동시에 개선하고, 성능 향상을 위한 핵심 설계 원리를 규명했다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로도 고성능·저비용 하드카본 음극재의 실용화 기술을 고도화하고, 지속가능한 차세대 배터리 소재 개발에 힘쓰겠다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 중소벤처기업부 주력산업 생태계 구축사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 한국산업기술기획평가원 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.