▲ 한영규 동국대 교수

국내 대학 연구팀이 제일원리 분자동역학 시뮬레이션을 통해 나트륨이온 이차전지 이온 확산 메커니즘을 규명했다.

동국대학교는 융합에너지신소재공학과 한영규 교수 연구팀이 충방전시 알루미나 코팅층을 통과하는 나트륨 이온들의 일부가 코팅층에 갇혀서 전극을 효과적으로 보호하는 나트륨-알루미나 층이 형성되는 현상이 열역학적 원인이 아닌 순수하게 속도론적 원인에 의한 것임을 밝혀냈다고 14일 밝혔다.

한 교수는 "이번 연구를 통해 리튬이온에 비해 원자반경이 더 큰 나트륨이온이 전극 코팅재로 널리 사용되는 알루미나(Al2O3) 층을 통과할 때 더 느리게 통과할 것이라는 예상과는 달리, 리튬이온에 비해 최소 100배 이상 더 빨리 통과한다는 것을 알아냈다"고 설명했다.

한 교수팀은 계산 결과를 바탕으로 알루미나 코팅층에 들어온 나트륨이온 혹은 리튬이온들이 임계 이온 확산도에 도달해야만 코팅층을 통과해 인접한 전극 혹은 전해질로 확산될 수 있다는 근거를 제시했다.

또한 리튬이온은 열역학적·속도론적 효과가 모두 관여 리튬이온과 나트륨이온의 코팅층 내 확산 현상이 실험적으로 크게 다르게 나타나며 리튬은 코팅층에 의해 많은 양이 소모되는 반면 나트륨은 리튬대비 25% 정도 소모에 그친다는 것도 확인했다.

이번 연구결과는 코팅층 뿐만 아니라 비정질 소재 내 캐리어 이동에까지 널리 적용될 수 있어 비정질 음극소재 연구 전반에 활용될 수 있다.

한 교수는 "비정질 소재에 대한 계산은 분자나 결정소재에 대한 계산에 비해 아직까지 기술성숙도가 낮은 분야에 해당한다"고 설명했다.

그는 "그러나 이를 다른 시각으로 보면 비정질 계산 분야에서 선도적인 위치를 점할 경우 배터리 음극소재를 비롯한 다양한 비정질 소재에 대한 선도적 개발을 가능하게 한다는 의미이므로, 향후 비정질 소재에 대한 다양한 에너지 소재 시뮬레이션 연구에 주력할 것"이라고 덧붙였다.

미래창조과학부의 기후변화대응사업, 산업통상자원부 에너지기술개발사업의 공동지원으로 진행된 이번 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’지 10월6일자 인터넷판에 게재됐다. [미디어펜=류용환 기자]