나트륨 이온 배터리: 저비용 고성능 차세대 배터리

나트륨 이온 배터리는 저비용 고성능의 차세대 전기자동차 배터리로 개발 및 발전되고 있습니다.

<목차> 1. 전기자동차 배터리 가격을 낮출 수 있는 재료 2. 나트륨 이온이 단점 및 개선 사항 3. 전기자동차 차세대 나트륨 이온 배터리 4. 나트륨 이온 배터리용 대용량 음극소재의 특성

1. 전기자동차 배터리 가격을 낮출 수 있는 재료

전기자동차 산업이 성장하면서 차량 원가의 약 30%를 차지하는 배터리 가격을 낮추기 위한 기술 경쟁이 벌어지고 있습니다. 이 가운데 KIST에서는 리튬 이온 배터리보다 저렴한 나트륨 이온 배터리를 개발하여 이목을 집중시켰습니다.

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 지각 보존량이 500배 이상 많은 나트륨을 기반으로 만들어졌습니다. 이전까지는 리튬 이온 배터리가 차세대 배터리로 주목받았지만, 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 40% 저렴하다는 장점이 있습니다.

 

2. 나트륨 이온의 단점 및 개선 사항

그러나 나트륨 이온은 리튬 이온보다 무겁고 크기가 큰 문제점을 가지고 있습니다. 이는 현재 리튬 이온 배터리에서 쓰이는 흑연과 실리콘 소재에 이온을 안정적으로 저장할 수 없다는 한계 때문입니다.

하지만, 나트륨 이온 배터리는 그 한계를 극복하기 위해 최근에 많은 연구가 이루어지고 있습니다. 미국 연구진은 나트륨 이온 배터리에서 흑연 대신 탄소 나노파이버를 사용하여 보다 안정적인 이온 저장을 성공적으로 실현하였습니다. 이와 같은 연구 결과는 나트륨 이온 배터리의 추가적인 개선 가능성을 제시하고 있습니다.

 

3. 전기자동차 차세대 나트륨 이온 배터리

나트륨 이온 배터리는 미래 전기차 산업에서 주목받을 가능성이 높습니다. 나트륨은 지구에서 가장 풍부한 원소 중 하나이며, 리튬과는 다르게 대량 생산이 가능합니다. 또한, 나트륨 이온 배터리가 가지고 있는 저비용과 고성능은 전기차 산업뿐만 아니라, 에너지 저장장치, 태양광 발전기 등 다양한 분야에서 활용 가능성을 제시하고 있습니다.

현재 전기자동차 시장에서는 리튬 이온 배터리가 주로 쓰이고 있습니다. 그러나, 나트륨 이온 배터리가 더욱 개선되면, 전기자동차 시장에서 나트륨 이온 배터리가 대세가 될 가능성이 있습니다. 이는 전기자동차 시장뿐만 아니라, 다양한 분야에서 나타날 수 있는 큰 변화일 것입니다.

미국 이외에도 유럽과 아시아에서도 나트륨 이온 배터리 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 이러한 연구들이 더욱 발전하면, 나트륨 이온 배터리는 더욱 높은 수준의 안정성과 성능을 갖출 수 있을 것입니다.

 

4. 나트륨 이온 배터리용 대용량 음극소재의 특성

또한, 대용량 음극소재 후보로 주목받는 금속 황화물 소재인 이황화몰리브덴을 활용하여 배터리 용량을 증가시키는 기술도 개발되고 있습니다. 이황화몰리브덴은 많은 전기를 저장할 수 있지만, 전기 저항이 크고 배터리 동작 시 소재의 구조적 불안정성이 있어 사용되지 못하고 있었습니다. 그러나 이러한 문제를 극복하기 위해 저가 친환경 재료인 실리콘 오일을 이용하여 세라믹 나노 코팅층을 만들었습니다.

이 새로운 기술은 단순한 공정으로 이루어져 있으며, 이황화몰리브덴 전구체와 실리콘 오일을 섞어 열처리하면 작고 안정적인 이황화몰리브덴 이종복합소재를 만들 수 있습니다. 이황화몰리브덴 이종복합소재는 코팅층이 없는 이황화몰리브덴 소재보다 2배 이상 많은 전기를 안정적으로 저장할 수 있습니다(600mAh/g 이상). 또한, 5분 이내의 빠른 충·방전을 200회 반복해도 용량을 그대로 유지할 수 있는 특성도 갖추고 있습니다.

이러한 우수한 성능은 이황화몰리브덴 소재 표면의 높은 전도성과 강성을 가지는 세라믹 나노코팅층 덕분입니다. 코팅층은 소재의 저항을 낮추고 구조를 안정화해 줍니다. 또한, 코팅층 표면에서 추가적인 전기를 저장할 수 있는 장점이 있습니다. 이황화몰리브덴과 실리콘 오일을 이용한 세라믹 나노 코팅층은 전기 저장 분야에서 새로운 기술적 발전을 보여주며, 더 많은 응용 분야에서 적용될 것으로 기대됩니다.

출처 : https://www.kist.re.kr/ko/news/latest-research-results.do?mode=view&articleNo=7449