UNIST·POSTECH 공동연구팀, 불소 도핑 하드 카본 개발 나트륨 이온 배터리 ‘전하 속도’와 ‘수분 안정성’ 두 마리 토끼 잡았다

국내 연구진이 친환경 식물인 ‘케나프(Kenaf)’를 활용해 나트륨 이차전지의 상용화를 앞당길 혁신적인 음극재 기술을 개발했다. 리튬 이온 배터리의 자원 고갈과 가격 폭등 문제를 해결할 대안으로 꼽히는 나트륨 배터리 분야에서 핵심 난제를 해결했다는 평가다.

■ ‘9배 빠른 탄소 흡수’ 케나프, 배터리 소재로 변신

울산과학대학교 유승민 교수(화학공학과)와 포항공과대학교(POSTECH) 박수진 교수 공동연구팀은 식물 ‘케나프’ 기반의 하드 카본(Hard Carbon)에 불소를 입히는 공정을 통해 나트륨 이온 배터리용 음극재 개발에 성공했다고 6일 밝혔다.

아프리카와 인도가 원산지인 케나프는 소나무보다 최대 9배 높은 이산화탄소 흡수력을 가진 대표적인 친환경 식물이다. 연구팀은 케나프 줄기 내부에 발달한 미세한 기공 구조가 나트륨 이온을 저장하는 데 최적의 조건을 갖췄다는 점에 주목해 이를 배터리 소재로 재탄생시켰다.

■ 불소 도핑으로 ‘출력 향상’과 ‘습기 방어’ 동시 해결

기존 바이오매스 소재 음극재는 나트륨 이온의 이동 속도가 느리고 수분에 취약해 성능이 쉽게 저하되는 고질적인 문제가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 **‘불소 도핑’**이라는 혁신적인 공법을 도입했다.

• 급속 충전 가능: 불소가 하드 카본 내부 전자 구조를 최적화해 나트륨 이온이 빠르게 이동하는 ‘고속도로’ 역할을 한다.

• 수분 안정성 확보: 불소 특유의 소수성(물과 섞이지 않는 성질)이 표면에 입혀져 습한 환경에서도 구조 변형 없이 성능을 유지한다.

이러한 기술적 진보는 실제 배터리 양산 공정에서 소재 취급을 훨씬 용이하게 만들어 상용화 가능성을 대폭 높였다.

■ 리튬 배터리 대체 가속화… ESS 시장 ‘청신호’

전기차와 에너지 저장 장치(ESS) 수요가 급증하면서 희귀 금속인 리튬을 대체할 나트륨 이온 배터리에 대한 관심이 뜨겁다. 나트륨은 지구 어디서나 쉽게 구할 수 있어 가격이 저렴하고 공급이 안정적이기 때문이다.

울산과학대 유승민 교수는 “이번 연구는 나트륨 배터리의 상용화를 가로막던 전하 이동 속도와 수분 안정성 문제를 한 번에 해결한 성과”라며, “저렴하고 친환경적인 나트륨 배터리가 ESS 및 소형 모빌리티 시장에서 리튬 배터리를 빠르게 보완하거나 대체할 것”이라고 전망했다.

한편, 이번 연구는 교육부의 ‘지역대학 우수과학자 지원사업’을 통해 수행되었으며, 재료 과학 분야 세계적 권위지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 3월호에 게재되며 그 학술적 가치를 인정받았다.