에너지연구원, 차세대 나트륨 배터리 난제 해결…수명·출력↑

상용 바인더 대비 획기적 수명 및 출력 특성 가져

바인더 작동 원리 규명, 개발 방향 제시…국제 학술지 표지논문

[대전=뉴시스] 에너지연구원이 개발한 바인더 작동 메커니즘  *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 전기자동차와 에너지저장장치의 급속한 성장으로 리튬 가격이 급증하는 가운데 리튬 배터리를 대신할 나트륨 이온 기반의 고성능 배터리 기술이 개발됐다.

한국에너지기술연구원은 광주친환경에너지연구센터 최성훈 박사팀이 고전압 양극 소재용 새로운 바인더 재료 개발해 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 향상시키는데 성공했다고 18일 밝혔다.

바인더는 전극 내 활물질로 전도성 카본 등 전극 입자를 집전체에 고정시켜주는 접착제 역할을 한다. 충방전이 반복적으로 진행될 때 활물질 또는 도전재 사이의 결합이 느슨해지는 것을 방지한다.

소금의 주성분인 나트륨은 지구상에 매우 풍부하고 가격은 리튬보다 약 80배나 저렴해 배터리 제작 시 단가를 큰 폭으로 낮출 수 있다.

또 리튬 이온과 동일한 산화수를 갖는 알칼리 이온으로 리튬 이온전지와 작동 메커니즘이 매우 유사해 많은 주목을 받고 있다.

나트륨 전지의 양극재인 불화인산바나듐나트륨(NVPF)은 4V 이상의 고전압에서는 전해질과 부작용이 일어나며 이때 사용되는 상용 양극 바인더인 PVDF(Polyvinylidene fluoride)는 불안정한 CEI(얇은 고체전해질 피막)를 형성해 양극 표면을 효과적으로 보호하지 못한다.

이로  전해질 내 물과 반응해 플루오린화수소(Hydrogen Fluoride)가 형성되고 플루오린화수소는 결국 양극의 구조를 공격해 구조를 붕괴시켜 성능 퇴화를 유도한다.

 이번에 최 박사팀은 전기화학적 반응에서 플루오린화수소 생성을 억제할 수 있는 나트륨폴리아크릴레이트(Sodium polyacrylate) 바인더를 적용, 배터리 수명과 출력 특성을 비약적으로 향상시켰다.

이 바인더는 충·방전 과정 중 바인더의 나트륨 이온과 플루오린화수소의 생성 중간체인 수소이온과의 원소교환 반응을 통해 아크릴산(R-COOH) 및 NaPO2F2를 다량으로 만들어낸다.

다량으로 생성된 NaPO2F2는 나트륨 이온이 안전한 이동 통로인 고이온전도성의 CEI를 형성하고 양극을 효과적으로 보호해 전해질의 추가 분해를 억제시킨다.

 나트륨폴리아크릴레이트 바인더가 적용된 나트륨 이온 전지는 매우 빠른 충·방전 조건에서도 2000사이클까지 70%의 높은 용량 유지율을 구현했으며, 더 높은 출력조건에서는 상용 PVDF 바인더를 적용한 나트륨 전지에비해 약 5배 이상의 높은 용량을 발현하는 것으로 확인됐다.

이번 연구 결과는 재료·에너지 분야 국제 학술지인 'Journal of Materials Chemistry A(IF 14.511)' 10주년 기념 3월호 표지논문으로 선정됐다.(논문명:A binder-driven cathode-electrolyte interphase via a displacement reaction for high voltage Na3V2(PO4)2F3 cathodes in sodium-ion batteries)

교신저자인 최성훈 박사는 "이번에 차세대 나트륨 이온 배터리 고전압 양극에 적용, 상용 PVDF 바인더 보다 더 우수한 배터리 성능을 구현하고 새  개발방향을 제시했다"며 "향후 나트륨 이온 배터리뿐만 아니라 다양한 고전압 기반 양극 바인더 설계에 큰 기여가 가능할 것"이라고 말했다.


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