본 학과의 김병현 교수님과 연구실 소속 서훈철 학생이 참여한 공동 연구팀(공동교신저자: 동국대학교 민성욱 교수, 포항가속기연구소 김영용 박사)의 성과가 국제 학술지 'Journal of Materials Chemistry A (IF: 9.5, JCR 상위 13.6%)'에 게재되었습니다.

공동 연구팀은 기존 바나듐 오산화물(V_2​O₅)의 구조적 불안정성을 해결하기 위해 소듐 이온을 사전에 삽입하는 전략과 초음파 기반 단일 공정(sonochemical synthesis)을 결합하여 새로운 양극 소재인 나트륨 바나듐 산화물(NaVO)를 구현했습니다. 삽입된 소듐 이온은 바나듐 층간 구조를 지지하는 역할을 수행하며, 층간 간격을 최대 8.4nm까지 넓혀 아연 이온의 삽입과 추출을 원활하게 돕습니다. 이를 통해 고전류 밀도에서 126.3 mAh의 용량을 확보하고 1만 회 이상의 충방전한 후에도 91.8%의 높은 용량 유지율을 기록하며, 기존 소재 대비 고율 특성 1.68배, 장수명 특성 1.99배 수준의 향상된 성능을 보였습니다.

특히 연구팀은 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 소재 내부의 아연 이온 이동 메커니즘을 원자 단위로 규명했습니다. 그 결과, 구조 내에 삽입된 소듐 이온과 결정수(H₂O)가 아연 이온의 확산 에너지 장벽을 효과적으로 낮추는 윤활제 역할을 하여 이온 이동성을 크게 높인다는 것을 확인했습니다. 또한 상태 밀도(DOS) 분석을 통해 소듐 전처리가 소재의 전자 구조를 변화시켜 전기 전도도를 향상시키고, 이것이 배터리의 고율 방전 성능을 높이는 핵심 요인임을 과학적으로 입증했습니다.

물을 전해액으로 사용하여 화재 위험이 없는 수계 아연 이온 배터리는 차세대 에너지 저장 장치(ESS)와 전기자동차 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 전망됩니다. 이번 연구는 상용화의 핵심 요소인 전극 소재의 내구성과 출력 문제를 시뮬레이션과 실험을 통해 동시에 해결했다는 평가를 받고 있으며, 향후 고성능 배터리 설계에 중요한 기준이 될 것으로 기대됩니다.

논문명: Enhanced electrochemical performance of aqueous Zn-ion batteries based on Na₂V₆O₁₆·2H₂O cathodes: insights from DFT and synchrotron X-ray analysis
게재지: Journal of Materials Chemistry A
DOI: https://doi.org/10.1039/D4TA08338E