[인더스트리뉴스 최용구 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 에너지연)은 광주친환경에너지연구센터 최성훈 박사팀이 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 향상시키는 데 성공했다고 18일 밝혔다.
나트륨은 이차전지 제조 과정에서 리튬을 대체할 수단으로 주목받고 있다. 자원의 편재성 및 무기화 등 리스크를 줄일 해결책으로 꼽힌다.
국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2030년까지 전기차용 리튬 수요는 최대 17배 늘어날 것으로 예상되며 가격 또한 2.5~5배가량이 오를 것으로 전망된다.
소금의 주성분인 나트륨은 지구상에 6번째로 많은 원소다. 리튬보다 약 440배 풍부하고 가격은 80배(2021년 기준) 정도 저렴해 배터리 제작 시 단가를 크게 낮출 수 있다. 나트륨 이온전지의 작동 메커니즘은 리튬 이온전지와도 유사하다.
나트륨 이온전지는 지난 4월 6일 비상경제장관회의에서 ‘차세대전지 분야 핵심기술’에 포함된 바 있다.
최정훈 박사팀 연구진은 고전압 양극 소재용 ‘바인더’를 개발해 나트륨 이온 배터리의 성능을 끌어올렸다. 나트륨 배터리의 양극재로 알려진 불화인산바나듐나트륨(NVPF)은 4V 이상의 고전압에서는 전해질과 부작용이 일어나게 되는 데, 연구진은 이를 제어할 바인더 소재를 찾았다.
바인더는 ‘전극 내 활물질’, ‘전도성 카본’ 등 전극 입자를 집전체에 고정시켜주는 접착제 역할을 한다.
NVPF 관련 부작용이 발생했을 경우 현재는 양극 바인더인 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 쓰고 있다. 다만 불안정한 고체전해질 피막인 CEI(Cathode-Electrolyte Interphase)를 형성해 효과적인 수단이 되지 못한다는 설명이다. 이 과정에 발생되는 플루오린화수소(Hydrogen Fluoride)는 양극을 공격해 구조를 붕괴시키고 성능 퇴화를 유도한다.
연구진은 플루오린화수소 생성을 억제할 수 있는 나트륨폴리아크릴레이트(Sodium polyacrylate) 바인더를 적용해 배터리 수명과 출력을 크게 높였다.
이번 연구성과는 재료·에너지 분야 국제 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’의 3월호 표지논문(Inside Front Cover)으로 선정됐다.
최성훈 박사는 “이번에 개발한 바인더는 PVDF 바인더 대비 우수한 배터리 성능을 구현하고 작동 원리 규명을 통해 바인더 설계 방향에 대한 비전을 제시할 것”이라며, “향후 나트륨 이온 배터리뿐만 아니라 다양한 고전압 기반 양극 바인더를 설계하는 데 기여할 수 있다”고 강조했다.
