(왼쪽부터)경상국립대학교 진영호 박사과정, 인하대학교 이규태 교수, 경상국립대학교 최재원 교수.(사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교는 자연과학대학 화학과 최재원 교수 연구팀(주저자 박사과정 진영호 씨)이 인하대학교 물리학과 이규태 교수 연구팀과의 공동연구로 나트륨 이온 배터리(SIB, Sodium-Ion Battery)의 고속 충·방전 성능과 장기 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 음극 소재를 개발했다고 27일 밝혔다.

이번 연구에서는 구리-안티모니 황화물(CuSbS2) 기반 음극 소재가 기존 안티모니계 전극이 지니던 성능 저하 문제를 효과적으로 개선할 수 있음을 입증했다.

나트륨 이온 배터리는 원재료의 풍부함과 가격 경쟁력으로 인해 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 그러나 나트륨 이온의 큰 크기로 인해 충·방전 과정에서 전극 구조가 쉽게 붕괴되고, 초기 용량 감소와 불안정한 사이클 특성이 반복적으로 발생해 왔다.

연구팀은 전극 물질의 느린 전하 이동과 비효율적인 반응 경로가 나트륨 이온 배터리 성능 저하의 주요 원인이라고 판단하고, 구리(Cu)를 도입한 이중 금속 황화물 구조의 CuSbS2 음극 소재를 설계했다. 이 소재는 충·방전 과정에서 낮은 전하 전달 저항을 나타내며, 기존 안티모니계 물질에서 나타나던 초기 용량 감소와 불안정한 용량 변화 현상을 효과적으로 억제했다.

실제로 CuSbS2 음극은 고전류 조건(2.0 Ag-1)에서도 200회 충·방전 후 330 mAhg-1의 용량을 안정적으로 유지했으며, 이로써 고속 충·방전 환경에서도 전극의 구조적 안정성과 반응 지속성이 확보됨을 확인했다.

연구팀은 성능 향상의 원인을 규명하기 위해 실시간 전기화학 임피던스 분석(In-situ EIS)과 이완시간분포 분석(DRT), 정전류 간헐적 적정법(GITT) 등 다양한 전기화학 분석 기법을 활용해 전극 내부 반응을 정밀하게 추적했다. 그 결과, CuSbS2는 기존 Sb2S3 대비 전하 전달 저항이 낮고 나트륨 이온 확산 속도가 빠른 전기화학적 특성을 보였으며, 이러한 특성이 우수한 고속 성능의 핵심 요인임을 확인했다.

이번 연구는 단순한 소재 성능 향상을 넘어, 이중 금속 황화물을 설계해 나트륨 이온 배터리의 전하전달 메커니즘을 제어할 수 있음을 실험적으로 입증했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀은 해당 소재가 대용량 에너지 저장 시스템(ESS) 및 차세대 배터리 응용 분야에서 활용 가능성이 높을 것으로 기대하고 있다.

연구 성과는 에너지·환경 소재 분야 국제 저명 학술지 《에너지 및 환경 소재(Energy & Environmental Materials)》(IF 14.1, JCR 상위 7.0%)에 게재됐다(논문명: Unraveling the High-Rate Electrochemical Kinetics of CuSbS2 for Sodium Storage).

이번 연구는 한국연구재단 신진연구, 기초연구실, G-LAMP 사업 및 경남우주항공방산과학기술원(GADIST) 개척연구팀, 4단계 두뇌한국21(BK21) 사업의 지원을 받아 수행했다.