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중국과학원 물리 연구소 산하 "베이징(北京, 북경) 응집물질물리 국가연구센터" 후융썽(胡勇勝, 호용승) 연구원, 루야샹(陸雅翔, 육아상) 연구원, 자오청룽(趙成龍, 조성룡) 박사 연구팀은 네덜란드 델프트 공과대학교(Delfort University of Science and Technology in the Netherlands) Prof. Marnix Wagemaker 연구팀, 프랑스 보르도 대학교(University of Bordeaux, France) Prof. Claude Delmas 연구팀과 공동 연구를 통해, 나트륨 이온 층상(層狀) 산화물 구성 형태를 예측할 수 있는 방법을 개발하였음. 연구팀이 개발한 예측 방법의 유효성을 입증하였으며, 원가가 저렴한 고성능 나트륨 이온 배터리 층상(層狀) 산화물 양극 소재 디자인 및 제조를 위해 이론적 기반을 제공하였음.

연구팀은 소재 제조 과정에서 동일한 원자가 상태의 다른 전이 금속 원소로 대체를 하게 되면 다른 구조를 가지게 된다는 점을 발견하였음. 연구팀은 동 발견에 기반하여 전이 금속의 이온 반경을 이용하여 적층 구조 조절이 가능하다는 점을 예측하고 동일 효과 반경 개념(동일 효과 반경은 가중 반경으로서 전이 금속의 반경에 동 전이 금속의 함유량을 곱한 것임)을 도입하였음.

연구팀은 이미 보고된 소재들에 대한 분석을 통해 동일 효과 반경이 클수록 더욱 쉽게 O3 상을 만들고 그렇지 않을 경우 P2 상을 만든다는 점을 발견하였음. 연구팀은 다른 시리즈의 층상(層狀) 산화물에 대해 동일 효과 반경의 임계 수치가 완전히 일치하지는 않았으며, 동일 효과 반경의 변화 트렌드를 통해 어떤 적층 구조를 쉽게 만들 수 있는지를 판단할 수 있음.

연구팀은 다른 시리즈 층상(層狀) 산화물 구조 매개변수를 분석하는 과정에서 O3와 P2 두 가지 구조 소재의 Na 층 간격(d(O-Na-O))과 M 층 간격(d(O-M-O))의 비교 수치는 한 개 임계 수치인 1.62인 데 비교 수치가 1.62보다 높으면 일상적으로 P2 상을 만들게 되고, 1.62보다 낮으면 O3 상을 만들게 된다는 점을 발견하였음.

층 간격의 변화는 NaO2 층과 MO2 층간의 정전기 인력과 정전기 척력의 상호 작용으로 인해 발생하게 되며, 나트륨 함유량을 향상시키면 Na 층간의 정전기 인력을 향상시키고 d(O-Na-O)로 하여금 작게 변화되게끔 하여 O3 상을 만들며, 반대로 P2 상은 정전기 척력이 중요한 역할을 하는 것으로 나타났음.

연구팀은 O3과 P2 구성 형태 형성에 대한 한층 더 심층적인 분석을 실행하였으며, 구조 표면 특징 분석 후의 계산을 통해 층 간격 비례 수치를 조사하고 소재의 구성 형태를 분석하였으며, 지금까지는 층상(層狀) 소재 적층 구조에 대해서 직접적인 예측을 하지는 못하고 있는 상황임.

연구팀은 층상(層狀) 산화물 구조 디자인을 위해 새로운 방법을 제안하고 연구팀이 개발한 방법의 유효성을 확인하였으며, 원가가 저렴한 고성능 나트륨 이온 배터리 층상 산화물 양극 소재 디자인을 위해 과학적 기반을 제공하였음.

본 연구 ‘Science’ ("Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries") 지에 게재됨.