中, 세계 최초 나트륨이온배터리 '열폭주 현상' 완전 차단

난연성 전해질(PNE) 개발해 배터리 열폭주 현상 차단
전기차·에너지저장장치 등 대용량 나트륨 이온 배터리 상용화 박차

중국과학원 물리연구소 후용성(Hu Yongsheng) 연구원 연구팀과 중커하이나 테크놀로지(中科海钠科技, 이하 중커하이나) 연구팀이 세계 최초로 자체 보호 기능을 갖춘 중합성 비가연성 전해질 폴리에틸렌 엔테로졸(PNE)을 개발해 3.5Ah급 나트륨 이온 배터리에서 열폭주를 완벽하게 방지하는데 성공했다. 사진은 학술지 네이처 에너지에 게재된 연구논문. (사진=네이처 에너지 화면 캡처)

[더구루=길소연 기자] 중국이 세계 최초로 나트륨이온배터리의 '열폭주 현상'을 완전 차단한다. 중국 과학연구팀과 중국 배터리 기업이 자체 보호 기능을 갖춘 난연성 전해질(PNE)을 개발해 배터리의 열폭주 현상을 막는다. 중국은 PNE를 대용량 나트륨 이온 배터리 제품에 적용해 전기 자동차와 대규모 에너지저장장치 등에서 나트륨이온배터리의 상용화를 앞당긴다.

8일 중국 과학 온라인 미디어 플랫품 중국과학기술네트워크(CSTN)와 중국 내 최대 금융 뉴스 포털 중 하나인 시나 파이낸스(Sina Fianace) 등 외신에 따르면 중국과학원 물리연구소 후용성(Hu Yongsheng) 연구원 연구팀과 중커하이나 테크놀로지(中科海钠科技, 이하 중커하이나) 연구팀이 세계 최초로 자체 보호 기능을 갖춘 중합성 비가연성 전해질 폴리에틸렌 엔테로졸(PNE)을 개발해 3.5Ah급 나트륨이온배터리에서 열폭주를 완벽하게 방지하는데 성공했다.

연구팀은 3.5Ah 용량의 강철 케이스 원통형 나트륨이온배터리 셀에서 300℃의 고온 환경에서도 열폭주 없이 작동하는 것을 확인했으며, 연기, 화재, 폭발 없이 못 관통 시험도 성공적으로 통과했다. 이들의 연구는 배터리 온도가 비정상적으로 150°C 이상으로 상승하면 PNE가 액체 상태에서 고밀도 장벽으로 자동 응고되면서 배터리 내부에 지능형 방화벽처럼 작용해 열 폭주 확산 경로를 완전히 차단하는 것을 입증했다.

연구팀은 이번 연구로 난연성 전해질이면 안전하다는 기존의 인식을 탈피해 열 안정성, 계면 안정성, 물리적 절연이라는 세 가지 요소를 아우르는 지능형 안전 보호 시스템을 구축했다.

소듐 테트라플루오로보레이트(NaBF4)를 주염으로, 고성능 나트륨이온배터리 전해질의 핵심 염인 헥사플루오로인산나트륨(NaPF6)를 보조 계면 조절제로 사용하는 이중염 시스템을 구축해 경질 탄소 양극의 호환성 문제를 해결하고 전극-전해질 계면을 최적화했다.

동시에, 트리에틸 포스페이트(TEP)를 기반으로 불연성 기판 상에서 열변성 중합을 수행해 고온에서 빠른 경화를 통해 차단층을 형성했다. 이 차단층은 양극과 음극 사이의 기계적·화학적 간섭을 차단해 열폭주 반응을 완전히 억제하고, 암페어시급 나트륨 이온 배터리에서 열폭주 없는 작동을 성공적으로 구현했다.

특히 주목할 점은 이 획기적인 기술이 배터리의 고성능을 저해하지 않았다는 사실이다. 나트륨이온배터리는 리튬이온배터리와 달리 나트륨 함량을 높여 니켈, 리튬, 코발트를 사용하지 않는 것이 특징으로, 핵심 소재들의 수요 급증 및 가격 폭등으로 인해 새로운 대안으로 주목받고 있다. 나트륨이온배터리는 -40℃에서 60℃에 이르는 넓은 온도 범위에서 우수한 성능을 보이며, 4.3V 이상의 높은 전압 안정성을 나타낸다. 사용된 모든 소재는 성숙한 산업용 제품으로, 상용화 측면에서 상당한 경쟁 우위를 확보한다.

연구팀의 이번 성과는 중커하이나의 대용량 나트륨 이온 배터리 제품에 적용돼 전기차와 대형 트럭, 대규모 에너지 저장 장치 등에서 나트륨이온배터리의 상용화를 앞당긴다. 중커하이나는 지난 2023년 2월 세계 최초로 나트륨이온배터리를 탑재한 전기차 시제품을 선보였다.<본보 2023년 8월 12일자 참고 : 中 나트륨이온 배터리 기준 통과한 17개 기업은>

1928년에 설립된 중국과학원물리연구소와 1929년에 설립된 베이징연구소물리연구소를 합쳐 설립된 중국과학원 물리연구소는 물리학의 기초 및 응용 기초 연구에 중점을 둔 다학제적이고 종합적인 연구 기관이다.