경희대 김두호 기계공학과 교수 연구팀, 소듐 (Na, 나트륨) 이온 전지용 양극 소재 안정화 기술 개발

남정현 기자 | 기사입력 2019/02/17 [23:02]

경희대 김두호 기계공학과 교수 연구팀, 소듐 (Na, 나트륨) 이온 전지용 양극 소재 안정화 기술 개발

남정현 기자 | 입력 : 2019/02/17 [23:02]

 

▲ 김두호 경희대 기계공학과 교수 연구팀이 나트륨 이온 전지용 양극 소재 안정화 기술을 개발했다. 제1원리 계산(계산과학)을 이용한 멀티스케일 소재 설계를 통해 망간(Mn)계 나트륨 이온 전지 양극 산화물의 불안정성을 극복할 해결책을 제시했다.     © 남정현 기자


[참교육신문 남정현 기자] 리튬 이온 전지는 현재 스마트폰, 노트북 등 대부분의 전자기기에 사용되고 있다. 문제는 리튬(Li)의 매장량이다. ‘하얀 석유로 불릴 만큼 희소성이 큰 리튬을 대체할 차세대 전지 중 하나가 나트륨(Na) 이온 전지다. 나트륨은 지구상에 존재하는 원소 중 여섯 번째로 풍부하며 가격 경쟁력이 우수하다.

 

김두호 경희대 기계공학과 교수 연구팀이 나트륨 이온 전지용 양극 소재 안정화 기술을 개발했다. 1원리 계산(계산과학)을 이용한 멀티스케일 소재 설계를 통해 망간(Mn)계 나트륨 이온 전지 양극 산화물의 불안정성을 극복할 해결책을 제시했다. 그동안 심한 수명특성 저하와 낮은 에너지 밀도로 난제를 해결하지 못한 나트륨 이온 전지 상용화에 한발 다가선 연구 결과다.

 

나트륨 이온 전지는 신재생에너지 시대 필수 장비로 꼽히는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System) 및 전기 자동차가 요구하는 높은 출력, 높은 에너지 밀도, 낮은 단가를 동시에 구현할 수 있어서 이번 연구가 산업적으로 의미 있는 기여를 할 것으로 보인다. 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션’ (Nature Communications)17일 온라인 판으로 게재됐다.

 

 

그동안 나트륨 이온 전지의 낮은 에너지 밀도와 극심한 수명특성 저하의 한계를 극복하기 위해 경험적 지식을 기반으로 다양한 경우의 수로 재료를 설계해왔다. 이는 수없는 시행착오가 발생할 수밖에 없어 효율적이지 못하다. 계산과학은 이러한 단점을 극복할 수 있는 방안 중 하나로 시뮬레이션 기법을 이용해 원자 구조에 대한 이해를 바탕으로 재료를 설계한다.

 

김두호 교수 연구팀은 망간(Mn)계 산화물의 나트륨 이온 자리에 아연(Zn)을 치환함으로써 얀-텔러 디스토션, 페이즈 세퍼레이션(Jahn-Teller distortion, Phase separation) 등 뒤틀리거나 분리되면서 구조를 불안정하게 만드는 근본 요인이 억제됨을 예측했다.

 

이를 강용묵 동국대 교수와 공동연구를 통해 전자현미경, 방사광 X-ray분석 등으로 증명했으며, 해당 소재의 수명 특성을 포함한 제반 전기화학 특성이 획기적으로 향상되는 것을 확인했다. 이는 시뮬레이션 기법을 통해 재료 설계로 그치지 않고 실제 실험으로 증명한 것이다.

 

김 교수는 배터리 소재 설계 접근은 경험적 지식을 토대로 성능 향상에만 초점이 맞춰져, 최근 기술적 병목현상이 발생하고 있다. 이론이 기반인 작동 메카니즘 연구가 결여되면, 시행착오로 발생되는 소요 시간이 길어지고, 경제적 효율성도 떨어진다.”따라서 다중 스케일·물리 관점의 데이터가 기반인 계산과학을 이용한 합리적 재료 설계 기술의 필요성이 극대화 될 것이라고 말했다.

 

김두호 교수는 경희대 기계공학과를 졸업한 경희대 동문으로 모교에서후배인 학생들에게 알려줄 것이 많다. “배터리 시장이 성장세다. 이전까지는 재료공학이나 화학공학에 초점을 맞춰 연구가 진행됐는데, 산업계에서는 기계공학도에 대한 수요가 상당히 증가하고 있다.”고 언급했다.

 

현재 기계공학은 다양한 학문이 융합되고 미시적 단위까지 다루기에, 기계공학도는 다중 스케일·물리 관점을 갖고 있어야 한다. 새로운 기계공학적인 마인드를 후배들에게 전달해줘 더 좋은 길로 나아갈 수 있도록 인도하고 싶다고 교수로서의 포부를 밝혔다.

 

연구에 대한 생각도 전했다. 김 교수는 연구자는 정체성이 확고해야 하고, 흔들리지 않는 주관이 있어야 한다. 연구도 트렌드가 있는데, 트렌드만 따라가다 보면 기초 연구가 무너져 계속 발전할 수가 없다. 자신의 분야가 조명 받지 않더라도 주관을 갖고 신념을 잃지 않고 연구를 계속해 나갈 예정이다.”라고 말했다.

 

김 교수는 나트륨 이온 전지, 더 나아가 포타슘(K, 칼륨) 전지 연구가 최근 시작되고 있다. 차세대 전지 연구를 계속해 나갈 계획이다.”라고 말했다.

 

한편, 이번 연구의 공동 제1저자로 해외우수 신진연구자 지원 사업의 지원을 받고 있는 동국대 장카이 박사가 참여했으며, 한국연구재단 해외우수신진연구자 지원 사업, 중견 연구사업, 리더 연구사업(창의 연구) 등의 지원을 받아 서울대 조맹효 교수, 포항공대 최시영 교수, 동국대 강용묵 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 수행됐다.

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