이번 연구는 경상국립대 최재원 교수 연구팀(주저자 문준하 박사)과 한국생산기술연구원 명윤 선임연구원 연구팀(주저자 남득현 박사과정)의 공동연구로 수행됐다.
나트륨 이온 배터리는 리튬 대비 자원 확보가 용이하다는 장점이 있지만, 나트륨 이온의 큰 크기로 인해 충·방전 과정에서 구조 붕괴와 성능 저하가 발생하는 한계가 있었다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 나노 황화철을 중공 구조의 탄소 내부에 캡슐화한 복합 음극재를 설계했다.
해당 구조는 충·방전 시 발생하는 부피 팽창을 효과적으로 억제하고, 중공 탄소의 높은 비표면적을 통해 반응 활성과 이온 이동성을 동시에 향상시킨 것이 특징이다.
실험 결과, 개발된 전극은 1.0 A/g 조건에서 280회 충·방전 후 450 mAh/g, 2.0 A/g 조건에서 300회 충·방전 후 350 mAh/g의 용량을 유지하며 기존 황화철 음극 대비 우수한 전기화학적 성능과 사이클 안정성을 보였다.
특히 60°C의 고온 환경에서도 1.0 A/g 조건으로 100사이클 동안 650 mAh/g의 높은 용량을 유지해, 고온 조건에서도 안정적으로 작동 가능한 차세대 나트륨 이온 배터리 음극재로서의 가능성을 입증했다.
연구팀은 실시간 저항 분석(In-situ EIS)을 통해 사이클이 진행될수록 전극의 전기화학적 저항이 감소하는 현상을 확인했으며, 이를 통해 이온 전도도 및 반응 동역학 개선이 성능 향상의 주요 원인임을 규명했다.
한편, 이번 연구 성과는 녹색·지속가능 과학기술 분야 국제학술지 '에코 맷(Ecomat)'에 게재됐다.
