경상국립대학교(GNU) 자연과학대학 화학과 최재원 교수 연구팀 (주저자: 박사과정 진영호 학생, 석사과정 유혜린 학생)과 인하대학교 신소재공학과 김상현 교수 연구팀이 공동연구를 통해 나트륨 이온 배터리(Sodium-Ion Battery, SIB)의 성능과 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 음극 소재를 개발했다. 이번 연구는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 구리주석황화물(Cu3SnS4)을 결합한 복합소재(Cu3SnS4@CNT)가 우수한 전기화학적 성능을 발휘함을 입증했다.

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있으나, 나트륨 이온의 크기와 무게로 인해 충·방전 시 성능 저하와 안정성 문제가 발생해 왔다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 간단한 콜로이드 합성법을 활용하여 나노 크기의 Cu3SnS4를 탄소나노튜브 표면에 균일하게 성장시키는 방식을 개발했다. 이 복합체는 200회의 충·방전 후에도 461.4 mAh/g (전류밀도: 0.5 A/g), 900회의 충·방전 후 405.8 mAh/g (전류밀도: 1.0 A/g)의 우수한 용량을 유지했으며, 고온 환경(50°C 및 70°C)에서도 뛰어난 성능(520.3 mAh/g 및 523.9 mAh/g)을 입증했다.

연구팀은 이번 성과를 통해 기존 금속 칼코게나이드(metal chalcogenide)의 초기 용량 감소 및 구조적 불안정을 효과적으로 개선했다. 또한 정전류 간헐적 적정법(GITT)을 활용하여 소재의 전기화학적 거동과 과전압을 정밀 분석했다. 이 소재는 고온 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있으며, 차세대 나트륨 이온 배터리의 실용화 가능성을 크게 확장할 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 연구 성과는 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)' (IF 13.4, JCR 상위 3.1%)에 게재됐다. (논문명: Cubic Cu3SnS4@CNT for Stable and High-Temperature Sodium-Ion Batteries: Simple Colloidal Synthesis and Enhanced Cycle Performance)

이번 연구는 한국연구재단 신진연구, 기초연구실, GADIST 개척연구팀, G-LAMP 사업 및 4단계 두뇌한국21 (BK21) 지원사업을 통해 수행됐다.