나트륨 이온 배터리를 위한 새로운 전극 물질

리튬-이온 배터리(Lithium-ion battery)를 개발하였던 과학자가 이끌고 있는 미 텍사스 대학 오스틴캠퍼스(University of Texas at Austin)의 한 연구진은 저가 나트륨-이온 배터리(Sodium-ion Battery) 제조와 관련하여 안전하면서 지속가능한 새로운 양극활물질(Cathode Material)을 발굴하였다. 

지난 5년 동안 나트륨-이온 배터리는 새로운 형태의 재충전가능 배터리 중 유망한 후보로 인식되어 왔으며, 앞으로 리튬-이온 배터리를 대체할 수 있을 것으로 기대되었다. 이러한 이유는 염의 기본 원소로 알려진 나트륨이 풍부하면서 가격 면에서 경쟁력을 갖고 있기 때문이다. 이와 반대로 리튬-이온 배터리는 높은 생산비용과 리튬 자원의 가용성 문제로 인해 제약을 받고 있다. 

과학자들이 나트륨 이온 배터리를 상업화할 수 있을 정도로 충분히 성능과 안전성을 개선할 수 있다면 풍력이나 태양발전에서 생산되는 에너지를 저장하거나 전기자동차에 동력공급을 위해 활용될 수 있을 것이다. 이를 위해 리튬-이온 배터리의 개발자인 John Goodenough 교수와 연구진은 비독성이면서 경제적인 광물인 NaFe(SO4)2 (eldfellite)로 제조된 물질이 새로운 양극활물질로 활용 가능함을 확인하였다. 이번 연구성과는 상업적으로 가능한 나트륨-이온 배터리를 개발하는데 있어 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 연구진은 Energy & Environmental Science 저널을 통해 이번 연구결과를 발표하였다. 

이번 연구에 참여한 Preetam Singh는 "이번 발견의 핵심은 나트륨-이온 배터리 개발과 관련하여 더 우수한 물질을 발굴할 수 있을 것으로 기대되는 기본적인 물질 구조"라고 말한다. 나트륨-이온 배터리는 리튬-이온 배터리와 유사한 방식으로 작동한다. 방전하는 과정에서 나트륨 이온은 음극에서 양극으로 이동한다. 반면에 전자는 외부회로를 통해 양극으로 통과한다. 그리고 이 전자는 전기적 일을 수행하는데 사용된다. 

나트륨-이온 배터리가 많은 가능성을 갖고 있지만 성능, 무게 및 소재의 불안정성 등의 기술적 장애물이 존재한다. 연구진이 제안한 양극활물질은 불안정성에 대해 다루고 있다. 이들의 구조는 고정된 나트륨과 철 층으로 이루어져 있어 나트륨이 삽입되거나 제거되더라도 구조가 그대로 유지될 수 있다. 

연구진이 해결을 위해 노력하고 있는 도전 중 하나는 이들이 발견한 양극이 오늘날 사용되는 리튬-이온 배터리 대비 에너지밀도가 낮을 수 있다는 것이다. 연구진이 개발한 양극은 리튬이온배터리의 비용량(Specific Capacity) 대비 2/3 수준인 것으로 나타났다. Singh는 "이번 새로운 물질에는 더 많은 가능성이 있다고 판단된다. 우리는 연구를 지속할 예정이다. 양극활물질은 새로운 물질 개발에 있어 나트륨-이온 배터리를 상업적으로 적용가능하게 만드는데 많은 기여를 할 것으로 믿고 있다"고 말했다. 

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-10-02