하드카본 음극소재의 나트륨 평탄전위용량을 결정하는 열역학적 및 동역학적 핵심인자들을 규명하고, 이들을 연결하는 관계식을 제시함. 수립된 관계식을 기초로 폐플라스틱으로부터 하드카본을 설계하여 세계 최고 수준의 가역용량(~507 mA h g-1)을 나타내는 초고용량 하드카본을 개발함. 이를 통해 최초로 제시된 하드카본 설계 가이드라인 관계식의 타당성 증명과 동시에 초고용량 하드카본 음극 설계를 위한 원천특허를 성취함

나트륨이온전지는 지각에 풍부한 나트륨 자원을 기반으로 하고, 상용화된 리튬이온전지 기술과 호환 가능한 화합물을 기반으로 하는 차세대 에너지정장치로 주목받고 있다. 그러나 나트륨 이온전지의 낮은 에너지밀도는 리튬이온전지 시장에 침투하는 뚜렷한 장벽이 되었다. 그 결과로 지난 수십년 동안 현실적인 음극 재료 후보들이 광범위하게 연구되었지만, 리튬이온전지 시스템에서의 리튬-흑연 화합물(Li+-GIC)의 전기화학 성능에 종합적으로 대응되는 경쟁력 있는 음극 재료는 아직 실현되지 않았다. 다양한 음극 후보군 중에서 하드카본이라고 불리는 소재는 저렴하고 간단한 제조 과정으로 나트륨이온전지의 음극 재료로 오랫동안 고려되었지만, 복잡하게 얽힌 무질서한 그래파이트 격자로 이루어진 하드카본의 미세구조를 완전히 이해하기는 어렵고, 물질 설계에 대한 불분명한 정보의 결과로 약 100 ~ 250 mA h g-1 정도의 넓은 범위에서 평탄전위 용량이 발현되는 단점을 가지고 있었다. 이번 연구에서는 하드카본의 평탄전위 용량이용계수에 주로 영향을 미치는 하드카본의 주요 동역학적 매개변수에 대해 연구하였고, 체계적인 연구를 통해 하드카본의 라만 스펙트럼 I2D/IG 밴드의 비율과 나트륨 이온 전달의 내부 동역학적 장벽 사이에 밀접한 관계를 밝혔다. 열역학적 및 동역학적 매개변수를 바탕으로, 평탄전위 용량의 용량이용계수를 특성화하기 위한 구조적 지표인 SPC factor를 고안하였다. SPC factor는 높은 기공 부피 비율과 낮은 I2D/IG 값을 가진 최적의 하드카본 음극을 설명하였고, 앞선 미세구조 조절을 통해 약 400 mA h g-1의 최고 수준의 나트륨 평탄전위용량을 달성하여 나트륨이온전지용 고성능 하드카본 음극 설계 가이드라인의 실현 가능성을 보여주었다.
본 연구내용은 KU-KIST 융합대학원의 현종찬 박사과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며 충남대학교 진형민 교수 연구팀, 인하대학교의 진형준 교수 연구팀의 도움을 받아 진행되었다.
본 연구는 “Design guidelines for a high-performance hard carbon anode in sodium ion batteries”의 제목으로 지난 3월 26일에 Energy & Environmental Science에 온라인 게재 되었다.