【브레이크뉴스 대구】진예솔 기자=국립금오공과대학교 연구진이 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있는 나트륨이온전지의 성능을 한 단계 끌어올릴 신소재를 개발했다. 이번 연구에서는 주석 기반 나노복합체 음극 소재를 활용해 기존 한계를 넘어선 263.3Wh/kg의 에너지 밀도와 초기 쿨롱효율 약 100%를 실현했다. 더불어 10C의 고율 충·방전 환경에서도 안정적인 성능을 확인하며 차세대 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가섰다는 평가다.
3일 금오공대에 따르면, 재료공학부 박철민 교수 연구팀이 인하대학교 전기준 교수 연구팀과 공동으로 주석(Sn) 기반 나노복합체 음극 소재를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 2026년 7월호에 게재됐다.
나트륨이온전지는 리튬이온전지의 대안으로 떠오르고 있다. 나트륨이 리튬보다 매장량이 풍부하고 가격 경쟁력도 뛰어난 데다, 국내외에서 자원 확보가 비교적 수월한 점도 강점이다. 하지만 이온 크기가 커 충·방전 과정에서 전극 구조 변화가 심하고, 이로 인해 배터리 수명 및 출력 특성 저하라는 단점이 따라왔다.
특히 주석 음극은 높은 이론 용량 덕분에 유망한 소재로 여겨지지만, 실제 적용 과정에서는 충·방전 시 큰 부피 변화와 초기 나트륨 손실이 걸림돌로 작용했다.
연구팀은 이 문제를 해결하고자 방사광가속기를 이용한 주석 K-엣지 X선 흡수분석으로 충·방전 과정에서 나타나는 주석의 반응 메커니즘을 원자 수준에서 면밀히 분석했다. 이를 토대로 산화주석, 알루미늄, 탄소를 함께 활용한 기계화학적 환원 공정을 거쳐 주석 나노복합체 음극 소재를 제작했다.
새롭게 개발된 복합체 구조에서는 산화알루미늄이 충·방전 과정에서 주석의 부피 변화를 효과적으로 완충하고, 탄소 소재가 전기 전도성 및 구조 안정성을 높이는 역할을 맡았다. 연구팀은 여기에 직접 접촉 방식의 사전 나트륨화 기술도 추가 적용해, 초기 충전 시 나트륨 손실 문제까지 대폭 줄였다.
이 결과 새 음극 소재를 적용한 나트륨이온전지 완전셀은 263.3Wh/kg의 에너지 밀도를 기록했고, 초기 쿨롱효율 역시 약 100%로 나타났다. 10C 조건의 고율 충·방전 실험에서도 성능 저하 없이 안정적으로 동작해, 빠른 충전과 고출력이 요구되는 배터리 시장에서도 충분한 경쟁력을 갖췄다는 분석이다.
이번 연구는 주석 음극의 대표적인 약점으로 꼽혀온 충·방전 시 부피 변화와 불안정한 반응, 초기 나트륨 손실 문제를 소재 설계와 반응 메커니즘 분석을 통해 동시에 해결했다는 점에서 의미가 크다.
박철민 교수는 “이번 연구를 통해 주석 음극 소재의 구조적 불안정성과 초기 효율 저하라는 고질적인 한계를 체계적으로 극복했다”며, “고에너지, 고출력, 급속충전이 가능한 나트륨이온전지 실용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
금오공대 연구팀은 앞으로도 나트륨이온전지의 성능 안정화와 상용화를 목표로 추가 연구를 이어갈 계획이다.
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Researchers at Kumoh National Institute of Technology have developed a new material that will take the performance of sodium-ion batteries, which are gaining attention as next-generation energy storage devices, to the next level. In this study, utilizing a tin-based nanocomposite anode material, they achieved an energy density of 263.3 Wh/kg and an initial Coulomb efficiency of approximately 100%, surpassing existing limitations. Furthermore, by confirming stable performance even in high-rate charge/discharge environments of 10C, the research is evaluated as bringing the field one step closer to the commercialization of next-generation batteries.
According to Kumoh National Institute of Technology on the 3rd, a research team led by Professor Park Cheol-min of the Department of Materials Science and Engineering succeeded in developing a tin (Sn)-based nanocomposite anode material in collaboration with a research team led by Professor Jeon Ki-jun of Inha University. The results of this research were published in the July 2026 issue of the international materials science journal ‘Advanced Functional Materials’.
Sodium-ion batteries are emerging as an alternative to lithium-ion batteries. Sodium has the advantage of being more abundant than lithium, offering superior price competitiveness, and is relatively easy to secure both domestically and internationally. However, due to its large ion size, it causes significant changes in the electrode structure during charging and discharging, leading to drawbacks such as reduced battery lifespan and output characteristics.
In particular, while tin anodes are considered promising materials due to their high theoretical capacity, significant volume changes and initial sodium loss during charging and discharging have acted as obstacles in actual applications.
To address this issue, the research team meticulously analyzed the reaction mechanism of tin during charging and discharging at the atomic level using tin K-edge X-ray absorption analysis with a synchrotron accelerator. Based on this, they fabricated a tin nanocomposite anode material through a mechanochemical reduction process utilizing tin oxide, aluminum, and carbon.
In the newly developed composite structure, aluminum oxide effectively buffers the volume changes of tin during charging and discharging, while the carbon material plays a role in enhancing electrical conductivity and structural stability. The research team further applied a direct-contact pre-sodiumation technology to significantly reduce the problem of sodium loss during initial charging.
As a result, a complete sodium-ion battery cell equipped with the new anode material recorded an energy density of 263.3 Wh/kg, and the initial Coulomb efficiency was approximately 100%. It operated stably without performance degradation even during high-rate charge/discharge tests under 10C conditions, leading to analysis that it possesses sufficient competitiveness in the battery market, which demands fast charging and high output.
This research is highly significant in that it simultaneously resolved the issues of volume change during charging and discharging, unstable reactions, and initial sodium loss—which have been cited as major weaknesses of tin anodes—through material design and reaction mechanism analysis.
Professor Park Cheol-min stated, "Through this research, we have systematically overcome the chronic limitations of tin anode materials, such as structural instability and reduced initial efficiency," adding, "We expect this to make a significant contribution to the practical application of sodium-ion batteries capable of high energy, high output, and rapid charging."
The research team at Kumoh National University of Technology plans to continue additional research with the goal of stabilizing the performance and commercializing sodium-ion batteries.
