■ 나트륨 배터리, 기존 보다 5배 출력 기술 개발

 

■ 나트륨 배터리, 기존 보다 5배 출력 기술 개발

 

★ 리튬을 대체할 이차 전지로 “나트륨 배터리” 전지가 주목받고 있는 가운데 국내 연구진이 기존 보다 5배 이상의 높은 용량을 발현하는 나트륨 이온 배터리를 개발했다. 한국 에너지기술 연구원은 광주 친환경에너지 연구센터의 최성훈 박사 연구진이 고전압 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해서 나트륨 이온 배터리의 수명. 안정성. 출력을 향상시키는데 성공했다고 2023년 04월 18일 밝혔다. 바인더는 전극 내 활물질, 전도성 카본 등 전극 입자를 집전체에 고정시켜주는 접착제 역할을 한다. 충방전이 반복적으로 진행될 때, 활물질 또는 도전재 사이의 결합이 느슨해지는 것을 방지한다. 전기 자동차와 에너지 저장 장치의 급속한 성장으로 리튬 원자재 가격은 고공행 진 중이다. 이와 함께 자원의 편재성, 자원의 무기화 가능성으로 인해 리튬을 대체하기 위한 여러 해결책이 제시되고 있는데, 그 중 가장 큰 관심을 받는 대체재는 나트륨 이온 기반 나트륨 배터리 전지이다. 이러한 가운데, 광주 친환경에너지 연구센터 최성훈 박사 연구진이 고전압 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발, 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 향상시키는데 성공했다.

 

★ 소금의 주성분인 나트륨은 지구상에 6번째로 많은 원소로 리튬 보다 440배 풍부하고, 가격은 약 80배 저렴해서 배터리 제작 단가를 큰 폭으로 낮추는 것이 가능하다. 또한 리튬 이온과 동일한 산화수를 갖는 알칼리 이온으로 리튬 이온 전지와 작동 메커니즘이 매우 유사해 많은 주목을 받고 있다. 높은 에너지 밀도를 갖는 나트륨 전지의 양극재로 알려진 불화 인산 바나듐 나트륨(NVPF)은 4V 이상의 고전압에서는 전해질과 부작용이 일어난다. 이때 사용되는 상용 양극 바인더인 PVDF (Polyvinylidene fluoride)는 불안정한 CEI (Cathode Electrolyte Interphase)를 형성해서 양극 표면을 효과적으로 보호해주지 못한다. 이처럼 부작용을 효과적으로 제어하지 못하고, 전해질 내 물과 반응해 플루오린화 수소(Hydrogen Fluoride)를 형성하고, 플루오린화 수소가 결국 양극의 구조를 공격해서 구조를 붕괴시키고, 성능 퇴화를 유도한다.

 

★ 연구진은 전기 화학적 반응 중에 플루오린화 수소 생성을 억제할 수 있는 나트륨 폴리 아크릴레이트 (Sodium polyacrylate) 바인더를 적용해서 배터리 수명과 출력 특성을 비약적으로 향상시켰다. 연구진이 적용한 바인더는 충·방전 과정 중에 바인더의 나트륨 이온 (R-COONa)과 플루오린화 수소의 생성 중간체인 HPO2F2의 수소 이온과의 원소 교환 반응을 통해 아크릴산 (R-COOH)과 NaPO2F2를 다량으로 만들어낸다. 다량으로 생성된 NaPO2F2는 나트륨 이온이 안전하고 잘 이동할 통로인 고이온 전도성의 CEI (Cathode Electrolyte Interphase)를 형성하고 양극을 효과적으로 보호해서 전해질의 추가 분해를 억제시켰으며, 이를 계산 과학을 통해서도 규명했다. 나트륨 폴리 아크릴레이트 (Sodium polyacrylate) 바인더가 적용된 나트륨 이온 전지는 10℃ 정도의 매우 빠른 충·방전 조건에서도 2,000사이클까지 70%의 높은 용량 유지율을 구현했으며, 30℃의 매우 높은 출력 조건에서는 상용 PVDF 바인더를 적용한 나트륨 전지에 비해서 약 5배 이상의 높은 용량을 발현하는 것을 확인했다.

 

★ 교신 저자인 최성훈 박사는 “이번에 개발한 바인더는 차세대 나트륨 이온 배터리 고전압 양극에 적용해서 상용 PVDF (Polyvinylidene fluoride) 바인더 대비 우수한 배터리 성능을 구현하고, 작동 원리 규명을 통해 바인더 설계 방향에 대한 비전을 제시했다. 향후 나트륨 이온 배터리뿐만 아니라 다양한 고전압 기반 양극 바인더를 설계함에 있어 큰 기여가 가능할 것이다” 라고 말했다.

 

★ 한편, 연구진은 후속 연구로 리튬 이온 배터리의 대표적인 고전압 양극 소재로 알려진 LNMO (Lithium Nickel Manganese Oxide, 리튬 니켈 망간 산화물)에 적용시 우수한 성능의 CEI (Cathode Electrolyte Interphase) 유도 가능한 특수한 바인더를 개발 중이다. 최근 에너지 밀도를 향상시키기 위해 고전압에서 구동 가능한 상용 양극에 대한 관심이 높아지고 있는 추세로 전극 설계에 큰 기여를 할 것으로 예상된다. LNMO (Lithium Nickel Manganese Oxide, 리튬 니켈 망간 산화물) 배터리는 코발트가 없고, 니켈과 리튬 함량은 적으면서도 일반적인 리튬 이온 배터리와 비교해서 동등한 수준의 에너지를 제공, 차세대 배터리로 각광받고 있다. 이번 연구 결과는 우수성을 인정받아 재료·에너지 분야 우수 국제 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’의 저널 10주년 기념 2023년 03월호 표지 논문(Inside Front Cover)으로 선정됐다.

 

■ 남이 보지 못하는 것을 보는 것이 비젼(Vision)이다. ★ 건강 관련 자료 및 혁신적인 문화 소식을 소개하고 공유하고자 합니다. ★ 그래서, → ★★ 젊음(靑春), 생명공학의 열망(熱望)! 네이버 밴드로 초대합니다. → http://www.band.us/#!/band/55963286

​

​

​

​