- 울산과학대학교 유승민 교수·포스텍 박수진 교수 공동연구팀, 케나프 기반 하드 카본에 불소 도핑으로 나트륨 이온 배터리 음극 성능 획기적 개선

- 재료 과학 분야 세계 권위지 ACS Applied Materials & Interfaces 2026년 3월호 게재

울산과학대학교 화학공학과 유승민 교수와 포스텍 박수진 교수(정재호 박사, 남서하 박사) 공동연구팀이 친환경 바이오매스 식물인 ‘케나프(Kenaf)’ 유래 하드 카본에 불소를 도입하는 데 성공하며, 나트륨 이온 배터리 상용화의 핵심 난제를 해결했다.

이번 연구 결과는 전하 이동 속도 향상과 수분 안정성 확보를 동시에 달성해 리튬 배터리 대체를 한층 앞당길 것으로 기대된다. 해당 성과는 재료 과학 분야 세계 권위지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 2026년 3월호에 ‘Unlocking High-Performance Sodium-Ion Batteries with Fluorine-Doped Kenaf Biomass-Derived Hard Carbon for Enhanced Charge-Transfer Kinetics and Moisture Stability(불소 도핑된 케나프 바이오매스 유래 하드 카본 사용으로 향상된 전하 전달 속도 및 습기 안정성을 통해 고성능 나트륨 이온 배터리 구현)’이라는 제목으로 게재되며 국제적으로 그 우수성을 인정받았다.

전 세계적으로 전기차와 에너지 저장 장치(ESS) 수요가 폭발적으로 증가하는 가운데, 리튬 이온 배터리의 대안으로 나트륨 이온 배터리가 주목받고 있다. 나트륨은 지구상 어디에서나 풍부하게 얻을 수 있어 가격이 저렴하고 수급이 안정적인 반면, 리튬은 희귀 금속으로 가격 변동성과 자원 고갈 문제가 치명적인 단점으로 꼽혀왔다. 그러나 나트륨 이온 배터리의 상용화를 위해서는 음극재 성능 개선이 필수적인 과제로 남아 있었다.

울산과학대학교 유승민 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 아프리카와 인도가 원산지인 아욱과 1년생 식물 ‘케나프’에 주목했다. 케나프는 생장 속도가 매우 빨라 열대지역에서 120일 기준 5~8미터, 온대지역에서 3~6미터까지 성장한다. 특히 이산화탄소 흡수 능력이 뛰어나 우리나라에서 흔히 볼 수 있는 소나무보다 이산화탄소 흡수량이 최대 9배 높은 친환경 식물로 알려져 있다. 케나프를 탄화해 만든 ‘하드 카본(Hard Carbon)’은 줄기 내 발달한 기공 구조 덕분에 나트륨 이온 저장에 최적화된 특성이 있다.

기존의 바이오매스 유래 하드 카본은 나트륨 이온의 이동 속도가 느리고, 공기 중 수분에 취약해 보관 및 제조 공정에서 성능이 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 하드 카본 구조에 불소를 도핑하는 혁신적인 공정을 도입해 이 두 가지 문제를 동시에 해결했다.

불소 도핑은 하드 카본 내부의 전자 구조를 최적화해 나트륨 이온이 더 빠르게 이동할 수 있는 통로를 열어줌으로써 배터리의 출력 향상과 급속 충전 성능으로 이어진다. 또한 불소의 강한 화학적 특성이 하드 카본 표면에 소수성(물과 친하지 않는 성질)을 부여해 습한 환경에서도 구조적 변형 없이 안정적인 성능을 유지할 수 있게 됐다. 이는 실제 양산 공정에서의 취급 용이성을 대폭 높이는 성과다.

울산과학대학교 유승민 교수는 2021년 교육부 주관 ‘지역대학 우수과학자 지원사업’에 선정돼 ‘바이오매스 기반 친환경 이차전지 소재 연구’를 시작했으며, 포스텍 박수진 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이번 성과를 이끌었다.

유승민 교수는 “이번 연구를 통해 나트륨 이온 배터리의 상용화를 가로막던 전하 이동 속도와 수분 안정성 문제를 동시에 해결했다. 저렴하고 친환경적인 나트륨 배터리가 리튬 배터리를 보완하거나 대체할 수 있는 ESS 및 소형 모빌리티 시장에 빠르게 적용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이번 연구는 성능 개선에 그치지 않고, 친환경 바이오매스 자원을 고부가가치 에너지 소재로 전환했다는 점에서 ESG 경영 측면에서도 큰 의미를 지닌다. 또, 울산 지역에는 현대자동차, 삼성SDI 등 관련 업계가 집중돼 있어 지역 산업계와의 연계를 통한 신성장 동력으로서의 가능성도 높이 평가되고 있다.