차세대 전지 소재로 사용할수도…러 화산서 신종 광물 발견

러시아 캄차카반도에 있는 톨바치크 화산의 용암류에서 신종 광물이 발견됐다. 페트로바이트(Petrovite)라는 이름이 붙여진 이 하늘색의 결정체는 특징적인 원자 구조를 지녀 차세대 전지가 안고 있는 문제를 해결할 비장의 카드로 떠올랐다.

톨바치크 화산은 원래 희귀한 원소 광물이 종종 발견되는 곳으로 유명하다. 1975~1976년과 2012~2013년 사이 두 차례 분화한 이 화산의 용암 속에서는 이곳에만 있는 광물들이 여러 차례 발견됐었다.

그중 최신 발견이 바로 페트로바이트라는 것이다. 이는 산소 원자들과 황산나트륨 그리고구리 원자 등이 합쳐진 것으로 화학식은 Na10CaCu2(SO4)8인 것으로 전해졌다.

그런데 이 광물의 특징은 산소 원자의 정렬에 있다. 비슷한 사례는 몇몇 화합물에서밖에 발견되지 않을 만큼 매우 드물기 때문이다.

게다가 이 광물은 차세대 전지로 기대되는 나트륨이온전지의 소재가 될 가능성이 크다. 현재 반복 충전이 필요한 전자 장치에는 리튬이온 전지가 쓰이는 경우가 많지만, 그 원료가 되는 리튬은 정치적으로 불안한 남아메리카에 편향돼 있어 수요가 늘수록 공급이 불안정해진다는 위험이 있다.

따라서 이를 대신할 전지로 나트륨이온전지가 떠오르고 있는 것이다. 그 원료가 되는 나트륨은 바다와 땅에 널리 있어 리튬과 같은 공급 측면에서의 불안정은 없다.

나트륨이온전지는 최근에 성능면에서도 리튬이온전지에 필적해 점차 주목을 끌고 있긴 하지만 이 역시 커다란 결점을 안고 있다. 이 차세대 전지는 리튬이온전지와 마찬가지로 양극과 음극 사이에서 이온을 이동시켜 전기를 발생한다. 하지만 이 과정을 반복하는 사이 불활성의 나트륨 결정이 음극에 쌓여 전지를 쓰지 못하게 된다는 것이다.

그런데 그 해결책이 바로 페트로바이트라는 것이다. 신종 광물은 다공질 구조를 갖고 있어 내부 공간이 통로처럼 서로 연결돼 있다. 덕분에 나트륨 원자는 자유롭게 움직일 수 있다. 이 성질이 나트륨이온전지의 음극 소재로 제격이라는 것이다.

이에 대해 연구 주저자인 스타니슬라프 필라토프 상트페테르부르크대 교수는 “현재 이런 용도의 가장 큰 문제점은 광물의 결정 구조 안에 전이금속(구리)이 소량밖에 들어 있지 않은 것”이라고 지적하면서 “이는 실험실에서 페트로바이트와 같은 구조의 화합물을 합성함으로써 해결할 수도 있다”고 설명했다.

자세한 연구 결과는 국제 학술지 ‘광물학 잡지’(Mineralogical Magazine) 온라인판 최신호에 실렸다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr