`나트륨 이온 배터리` 수명·출력 확 높인다

에너지연, '나트륨폴리아크릴레이트 바인더' 개발
상용 양극 바인더 비해 충방전 시 높은 용량 유지

한국에너지기술연구원이 개발한 '나트륨폴리아크릴레이트 바인더'를 적용해 제작한 코인셀로, 기존 양극 바인더에 비해 나트륨 이온 배터리의 수명과 출력을 높일 수 있다. 에너지연 제공

에너지연이 개발한 '나트륨폴리아크릴레이트 바인더'를 적용해 제작한 나트륨 이온전지

리튬을 대체하는 나트륨 이온 배터리의 수명과 출력을 높일 수 있는 양극 바인더 소재가 개발됐다.

한국에너지기술연구원은 최성훈 박사 연구팀이 고전압 양극 소재용 바인더 소재를 개발했다고 18일 밝혔다.

바인더는 전극 내 활물질로 충방전이 반복적으로 진행될 때 활물질 또는 도전재 사이의 결합이 느슨해지는 것을 방지하는 접착제 역할을 한다.

소금의 주성분인 나트륨은 지구상에 여섯번째로 많은 원소로, 리튬보다 440배 풍부하고 가격은 80배 가량 저렴해 배터리 제작 단가를 획기적으로 낮출 수 있다. 또한 리튬이온과 동일한 산화수를 가진 알칼리 이온으로 리튬 이온전지와 작동 원리가 매우 유사하다.

나트륨 전지의 양극재로 알려진 '불화인산바나듐나트륨(NVPF)'은 4볼트 이상의 고전압에서 전해질과 부작용이 일어난다. 이 때 사용되는 양극 바인더(PVDF)은 불안정한 CEI(충방전 과정에서 양극과 전해질 계면에 형성되는 얇은 고체전해질 피막)를 형성해 양극 표면을 효과적으로 보호하지 못한다. 이로 인해 배터리 수명 저하를 초래한다.

연구팀은 전기화학 반응 중에 플루오린화수소 생성을 억제할 수 있는 나트륨폴리아크릴레이트 바인더를 적용해 배터리 수명과 출력을 비약적으로 향상시켰다. 실제로 나트륨폴리아크릴레이트 바인더를 적용한 나트륨 이온 전지는 10C(배터리의 충방전 속도를 나타내는 단위)의 매우 빠른 충방전 조건에서도 2000사이클까지 70%의 높은 용량을 유지했다. 30C의 매우 높은 출력 조건에서는 상용 바인더(PVDF)를 적용한 나트륨 전지에 비해 5배 이상의 높은 용량을 나타냈다.

최성훈 에너지연 박사는 "새로 개발한 바인더는 우수한 배터리 성능을 구현해 나트륨 이온 배터리뿐 아니라, 다양한 고전압 기반 양극 바인더 설계에 기여할 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료·에너지 분야 국제 학술지 '머터리얼즈 케미스트리(3월호)' 표지논문으로 게재됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr