[1일IT템] 전고체전지를 나트륨·알루미늄으로 만들었다

연세대 정윤석 교수팀, 저렴한 ESS용 전고체전지 소재 개발

배터리. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 연세대 화공생명공학과 정윤석 교수팀이 나트륨 전고체전지용 고체전해질을 알루미늄으로 만들었다. 연구진이 만든 3V급 전고체전지는 500번 이상 충전과 방전을 거듭해도 전지용량이 80% 이상 유지하면서 안정적으로 작동했다.

정윤석 교수는 26일 "안전하고 저렴한 에너지 저장 장치(ESS)용 전지 기술 개발에 중요한 전환점이 될 것"이라고 말했다.

현재 널리 사용되고 있는 리튬이온전지는 유기계 액체전해질을 사용한다. 유기계 액체전해질은 작은 스파크로도 쉽게 불이 붙고, 일단 불길이 시작되면 걷잡을 수 없어 안전성 문제가 있다. 실제 리튬이온전지를 적용한 ESS는 잦은 발화 사고가 발생하고 있다. 또한 리튬 가격은 최근 10년간 10배 가까이 상승했다.

반면, 나트륨 고체전해질은 발화성이 없는 무기계 물질이면서 주 성분인 나트륨은 지표면에 6번째로 많아 리튬에 비해 저렴하다. 이를 적용한 나트륨 전고체전지는 기존 리튬이온전지에 비해 저렴한 가격으로 안전하게 에너지를 저장할 수 있는 차세대 전지로서 ESS에 적용될 수 있다.

그러나 지금까지 개발된 나트륨 전고체전지는 고체전해질의 가격이 비싸다. 또한 높은 에너지밀도를 만들어내기 위해서는 3~4V 이상의 높은 전압 구동이 필수다.

하지만 대부분 고전압에서 심각한 분해 반응을 보여 성능 구현에 어려움이 있었다. 최근 고전압에서도 안정적인 할라이드계 고체전해질 소재가 연구되고 있지만, 대부분 비싼 희토류 금속 원소를 사용해 상용화로 가는데 걸림돌이 되고 있다.

연구진은 저렴한 금속원소를 이용한 고전압 나트륨 전고체전지용 고체전해질을 고안했다. 지구 표면에 3번째로 많은 알루미늄으로 고체전해질 소재를 개발했다. 이 소재로 3V급 전고체전지를 만들어 500번 이상 충전과 방전 실험결과, 초기 에너지 저장 용량의 82.9%를 유지했다.

새로운 나트륨 고체전해질은 기존에 고온 환경에서 구동되는 ZEBRA 타입 전지에서 용융염 전해질로 사용되던 물질이다. 연구진은 이를 상온에서도 작동하는 최초의 전고체전지로 만들었다고 설명했다.

한편, 연세대 정윤석 교수팀의 박주현·손준표 연구원(공동 제1저자)과 성균관대 김종순 교수팀, 울산과학기술원(UNIST) 서동화 교수팀, 한국원자력연구원 김형섭 박사가 함께 해 얻은 이번 연구결과는 에너지 분야 국제 학술 권위지인 '미국화학회 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 지난 7일 발표했다.