리튬이온 대체제 나트륨 배터리 수명·출력 두 마리 토끼 잡는 소재 개발

에기연 광주친환경에너지연구센터 최성훈 선임연구원 연구진

나트륨폴리아크릴레이트 바인더를 적용해서 제작한 코인셀. /에기연

국내 연구진이 리튬이온전지의 대체제로 주목받는 나트륨 이온 기반 이차전지의 수명과 출력을 높이는 소재 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원(에기연) 광주친환경에너지연구센터 최성훈 선임연구원 연구진은 고전압 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 향상시키는데 성공했다고 18일 밝혔다.

소금의 주성분인 나트륨은 지구상에 여섯 번째로 많은 원소로 리튬보다 440배 풍부하고 가격은 약 80분의 1 수준이다. 최근 전기차와 에너지저장장치의 성장으로 리튬 수요가 늘면서 가격이 높아지고 있어, 나트륨이 대체제로 쓰이면 배터리 제작 단가를 크게 낮출 수 있을 것으로 보인다.

나트륨 배터리의 단점은 수명이었다. 높은 에너지 밀도를 갖는 나트륨 전지의 양극재로 알려진 불화인산바나듐나트륨(NVPF)은 4V 이상의 고전압에서는 전해질과 부작용이 일어난다. 상용 양극 바인더인 PVDF(Polyvinylidene fluoride)는 불안정한 CEI를 형성해 양극 표면을 보호하지 못한다. 이처럼 부작용을 효과적으로 제어하지 못하고 전해질 내 물과 반응해 플루오린화수소(Hydrogen Fluoride)를 형성하고, 플루오린화수소가 결국 양극의 구조를 공격해 구조를 붕괴시키고 성능 퇴화를 유도한다. CEI는 충-방전 과정 중에 양극-전해질 계면에서 형성되는 얇은 고체전해질 피막으로, 배터리의 전기화학성능 및 안정성에 큰 영향을 끼친다.

에기연 연구진은 플루오린화수소 생성을 억제할 수 있는, 나트륨폴리아크릴레이트(Sodium polyacrylate) 바인더를 적용해 배터리 수명과 출력 특성을 비약적으로 향상시켰다.

나트륨폴리아크릴레이트 바인더가 적용된 나트륨 이온 전지는 10C의 매우 빠른 충·방전 조건에서도 2000사이클까지 70%의 높은 용량 유지율을 구현했고, 30C의 매우 높은 출력조건에서는 상용 PVDF 바인더를 적용한 나트륨 전지에 비해 경우에 비해 약 5배 이상의 높은 용량을 발현했다.

교신저자인 최성훈 선임연구원은 “이번에 개발한 바인더는 차세대 나트륨 이온 배터리 고전압 양극에 적용해 상용 PVDF 바인더 대비 우수한 배터리 성능을 구현하고, 작동 원리 규명을 통해 바인더 설계 방향에 대한 비전을 제시했다”며 “향후 나트륨 이온 배터리뿐만 아니라 다양한 고전압 기반 양극 바인더를 설계할 때 기여가 가능할 것”이라고 말했다.

참고자료

Journal of Materials Chemistry A, DOI : https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d2ta07990a

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