나트륨배터리 수명과 출력, 획기적으로 높였다

한국에너지기술연구원

나트륨폴리아크릴레이트 바인더를 적용해서 제작 중인 양극. 한국에너지기술연구원 제공

국내 연구진이 리튬이온배터리를 대체할 것으로 기대되는 나트륨 배터리의 수명과 출력을 향상시키는 데 성공했다.

한국에너지기술연구원은 최성훈 광주친환경에너지연구센터 선임연구원 연구팀이 고전압 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 크게 개선하는 데 성공했다고 18일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 A’ 3월호 표지논문으로 게재됐다.

소금의 주성분인 나트륨은 지구상에 6번째로 많은 원소다. 리튬보다 440배 풍부하고 가격은 약 80배 저렴해 배터리 제작 시 단가를 큰 폭으로 낮추는 게 가능할 것으로 예상된다. 또 리튬이온과 동일한 산화수를 갖는 알칼리 이온으로 리튬 이온전지와 작동 메커니즘이 매우 유사해 많은 주목을 받고 있다.

높은 에너지 밀도를 갖는 나트륨 전지의 양극재로 알려진 불화인산바나듐나트륨(NVPF)은 4V 이상의 고전압에서는 전해질과 부작용이 일어난다. 이때 사용되는 상용 양극 바인더인 PVDF는 ‘CEI’라고 불리는 불안정한 고체전해질피막을 형성해 양극 표면을 효과적으로 보호해주지 못한다.

이 때문에 부작용을 효과적으로 제어하지 못하고 전해질 내 물과 반응해 플루오린화수소를 형성하게 된다. 형성된 플루오린화수소는 결국 양극의 구조를 공격해 구조를 붕괴시키고 성능 퇴화를 유도한다.

연구팀은 전기화학적 반응 중에 플루오린화수소 생성을 억제할 수 있는 나트륨폴리아크릴레이트 바인더를 적용해 배터리 수명과 출력 특성을 비약적으로 향상시켰다.

연구팀이 적용한 바인더는 충·방전 과정 중에 바인더의 나트륨 이온과(R-COONa) 플루오린화수소의 생성 중간체인 HPO2F2의 수소이온과의 원소교환 반응을 통해 아크릴산(R-COOH)과 NaPO2F2를 다량으로 만들어낸다. 다량으로 생성된 NaPO2F2는 나트륨 이온이 안전하고 잘 이동할 통로인 고이온전도성의 CEI를 형성한다. 양극을 효과적으로 보호해 전해질의 추가 분해를 억제시킨다. 연구팀은 계산과학을 통해 바인더의 이같은 성능을 확인했다.

최성훈 선임연구원은 “이번에 개발한 바인더는 차세대 나트륨 이온 배터리 고전압 양극에 적용해 상용 PVDF 바인더 대비 우수한 배터리 성능을 구현하고 작동원리 규명을 통해 바인더 설계 방향에 대한 비전을 제시했다”며 “향후 나트륨 이온 배터리뿐만 아니라 다양한 고전압 기반 양극 바인더 설계에 크게 기여할 것”이라고 말했다. 

[박정연 기자 hesse@donga.com]