[투데이에너지 홍시현 기자] 전기자동차와 에너지저장장치의 급속한 성장으로 고공행진 중인 리튬을 대체할 해결책으로 나트륨이 제시되고 있다.
국내 연구진이 나트륨 배터리의 수명과 출력을 높이는 기술 개발에 성공해 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 에너지연) 광주친환경에너지연구센터의 최성훈 박사 연구진이 고전압 양극 소재용 새로운 바인더(전극 내 활물질) 소재를 개발해 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 향상시키는데 성공했다.
소금의 주성분인 나트륨은 지구상에 6번째로 많은 원소로 리튬보다 440배 풍부하고 가격은 약 80배(2021년 기준) 저렴해 배터리 제작 시 단가를 큰 폭으로 낮추는 수 있다. 또한 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 PVDF(Polyvinylidene fluoride)는 불안정한 CEI(충-방전 과정 중에 양극-전해질 계면에서 형성되는 얇은 고체전해질 피막)를 형성해 양극 표면을 효과적으로 보호해주지 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.
이에 연구진은 전기화학적 반응 중에 플루오린화수소 생성을 억제할 수 있는 나트륨폴리아크릴레이트(Sodium polyacrylate) 바인더를 적용해 배터리 수명과 출력 특성을 비약적으로 향상시켰다.
연구진이 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 형성하고 양극을 효과적으로 보호해 전해질의 추가 분해를 억제시킨다.
나트륨폴리아크릴레이트 바인더가 적용된 나트륨 이온 전지는 10C(배러리 충·방전 속도)의 매우 빠른 충·방전 조건에서도 2,000사이클까지 70%의 높은 용량 유지율을 구현했으며 30C의 매우 높은 출력조건에서는 상용 PVDF 바인더를 적용한 나트륨 전지에 비해 경우에 비해 약 5배 이상의 높은 용량을 발현하는 것을 확인했다.
최성훈 에너지연 박사는 “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 설계함에 있어 큰 기여가 가능할 것”이라고 말했다.