[한국강사신문 한상형 기자] 경상국립대학교 에너지공학과 정현영 교수 연구팀이 상온에서 작동하는 나트륨-황(Na-S) 배터리의 충전과 방전 반응을 동시에 촉진하는 새로운 촉매 소재를 개발했다.
경상국립대는 정현영 교수 연구팀이 한양대학교 유기나노공학과 이태경 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 질화바나듐 양자점 복합 촉매인 ‘VNQ-G’를 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 《Small》에 지난 8월 21일 게재됐다.
이번에 개발된 촉매는 충전과 방전 과정에서 발생하는 서로 다른 반응을 모두 빠르게 진행하도록 설계된 것이 특징이다. 연구팀은 이를 ‘양방향 촉매’로 제시하며, 상온 나트륨-황 배터리의 주요 기술적 한계를 개선할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
나트륨-황 배터리는 비교적 저렴하고 매장량이 풍부한 나트륨과 황을 활용할 수 있어 리튬 기반 배터리를 대체할 차세대 에너지저장 기술로 주목받고 있다. 특히 태양광과 풍력 등 재생에너지의 출력 변동성을 보완하는 대규모 에너지저장장치(ESS)와 항공·우주 분야의 고에너지 전원으로 활용 가능성이 거론된다.
하지만 기존 상용 나트륨-황 배터리는 300℃가 넘는 고온에서 작동해야 한다는 문제가 있다. 배터리 작동을 위해 별도의 가열 및 단열 설비가 필요할 뿐 아니라 고온에서 녹은 금속을 취급해야 해 안전성과 시스템 복잡성 측면에서도 한계가 있었다.
이를 해결하기 위한 대안으로 상온형 나트륨-황 배터리가 연구되고 있지만, 충·방전 과정에서 생성되는 폴리설파이드가 전해질에 녹아 내부를 이동하는 ‘셔틀 현상’이 문제로 지적돼 왔다. 이 현상은 활성 물질의 손실을 유발해 배터리 용량과 수명을 떨어뜨릴 수 있다.
또 다른 문제는 방전 과정에서 생성되는 고체 황화나트륨(Na₂S)을 충전 과정에서 다시 분해하기 어렵다는 점이다. 특히 높은 반응 장벽을 가진 충전 과정은 방전 반응에 비해 상대적으로 연구가 부족했다.
정현영 교수 연구팀은 이러한 문제를 동시에 개선하기 위해 10나노미터(nm) 이하 크기의 질화바나듐(VN) 양자점을 질소 도핑 환원 그래핀 산화물(rGO) 표면에 균일하게 배치한 복합 촉매 ‘VNQ-G’를 개발했다.
VNQ-G에서 바나듐은 폴리설파이드와 강하게 결합해 배터리 내부에서 폴리설파이드가 이동하는 현상을 억제한다. 동시에 전자 전달을 원활하게 만들어 방전뿐 아니라 충전 과정에서도 전기화학 반응이 빠르게 진행될 수 있도록 돕는다.
연구팀은 이론 계산과 실험을 함께 진행해 VNQ-G가 Na₂S 전환 과정의 활성화 에너지를 낮추고, 충·방전 과정 전반의 반응 가역성을 높인다는 사실을 확인했다. 즉 방전 과정에서 생성된 물질을 충전 과정에서 보다 효율적으로 다시 전환할 수 있도록 해 배터리의 양방향 반응을 개선한 것이다.
출처 : 한국강사신문(https://www.lecturernews.com)