무질서 구조 도입을 통한 가격 경쟁력을 갖춘 소듐 버네사이트의 고에너지밀도 달성
연구진은 층상구조 양극 소재인 버네사이트(Birnessite)의 구조적 한계를 극복하기 위해, 소재 내부에 의도적으로 무질서도를 도입하여 가역성을 향상시키는 새로운 전략을 제시했다.
버네사이트는 알칼리 이온 층 내에 결정수를 함유하고 있어 층간 거리가 넓고, 이에 따라 알칼리 이온의 확산이 유리하다는 장점이 있다. 그러나 충·방전 과정에서 망간 이온이 팔면체(Octahedral) 위치에서 사면체(Tetrahedral) 위치로 이동하는 현상이 발생하며, 이는 구조적 불안정성을 초래한다. 이러한 구조적 변화는 반응의 비가역성을 증가시키고, 결과적으로 용량 감소와 같은 전기화학적 성능 퇴화를 일으키는 주요 원인으로 지적되어 왔다. 기존 연구들은 이러한 문제를 해결하기 위해 구조 변화를 최소화하여 소재를 안정화하는 데 주력해 왔다. 그러나 이번 연구진은 기존의 통념을 깨고, 원자 배열의 무질서도를 의도적으로 도입하여 상전이를 유연하게 조절함으로써 가역성을 높이는 역발상적인 접근법을 택했다.
연구진은 선행 연구를 통해 리튬 버네사이트 합성 과정에서 건조 공정을 최적화하여 결정수의 양을 조절하였고, 이를 통해 생성된 무질서한 구조가 가역적인 상전이 경로를 구축하는 데 효과적임을 입증한 바 있다. 이번 연구에서는 이러한 성공적인 접근 방식을 소듐(나트륨) 버네사이트로 확대 적용하고자 했다. 구체적으로 화학적 처리를 통해 양이온 공공(Vacancy)을 인위적으로 도입하여 무질서도를 증가시키고, 이를 통해 이온 이동성을 향상시켜 전기화학적 성능의 한계를 극복하는 전략이다. 연구진은 독창적인 무질서 구조 도입 전략을 통해 소듐 버네사이트의 에너지 밀도를 비약적으로 높임으로써, 가격 경쟁력과 고성능을 동시에 충족하는 차세대 이차전지 양극 소재로서의 가능성을 제시하였다.
논문: “Structural Disorder of a Layered Lithium Manganese Oxide Cathode Paving a Reversible Phase Transition Route toward Its Theoretical Capacity”, Journal of the American Chemical Society, 146, 49, 33845–33856 (2024)
DOI: 10.1021/jacs.4c12248
논문: “Controlling interlayer disorder toward reversible phase transition in a layered sodium manganese oxide cathode”, Journal of the American Chemical Society, 147, 8, 6665–6678 (2025)
DOI: 10.1021/jacs.4c15913
