비싼 리튬 대신···에너지연, 나트륨 배터리 출력 향상 기술 개발

양극재 특성 높이는 새 바인더 소재 개발

배터리 핵심 소재인 리튬에 대한 공급망 우려가 이어지는 가운데, 나트륨 이온 배터리의 양극재 수명과 출력을 높일 소재 기술을 국내 연구진이 개발했다. 

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 고전압 양극재를 위한 새로운 바인더 소재를 개발, 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 향상시켰다고 18일 밝혔다. 

바인더란 전극 내 활물질이나 전도성 카본 등 전극 입자를 집전체에 고정하는 접착제 역할을 한다. 충방전이 반복될 때 활물질이나 도전재 사이 결합이 느슨해지는 것을 막는다. 

나트륨폴리아크릴레이트 바인더를 적용해서 제작 중인 양극 (사진=에너지연)

나트륨은 지구에 6번째로 많은 원소로, 리튬보다 440배 풍부하고 가격은 80분의 1 수준이라 배터리 제작 단가를 낮출 수 있으리라 기대된다. 또 리튬이온과 동일한 산화수를 갖는 알칼리 이온으로 리튬 이온전지와 작동 메커니즘이 유사해 주목받고 있다.

에너지 밀도가 높아 나트륨 전지의 양극재로 쓰이는 불화인산바나듐나트륨(NVPF)은 4V 이상 고전압에선 전해질과 부작용이 일어난다는 문제가 있다. 상용 양극 바인더인 PVDF(Polyvinylidene fluoride)는 양극과 전해질 계면에 불안정한 피막(CEI)를 형성해 양극 표면 보호 효과가 약하다. 이런 부작용을 제대로 제어하지 못하면 양극재와 전해질 내 물이 반응해 플루오린화수소를 형성한다. 플루오린화수소는 양극의 구조를 공격해 구조를 붕괴시키고 성능을 떨어뜨린다. 

광주친환경에너지연구센터 최성훈 박사 연구진은 전기화학적 반응 중 플루오린화수소 생성을 억제할 수 있는 나트륨폴리아크릴레이트(Sodium polyacrylate) 바인더를 적용해 배터리 수명과 출력 특성을 높였다.

이 바인더는 충·방전 과정 중 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 안전하게 이동할 수 있는 고이온전도성 CEI를 형성하고, 양극을 효과적으로 보호해 전해질의 추가 분해를 억제했다. 

에너지연이 개발한 바인더 작동 메커니즘 모식도 (자료=에너지연)

나트륨폴리아크릴레이트 바인더가 적용된 나트륨 이온 전지는 빠른 충·방전 조건에서도 2천 사이클까지 70%의 용량을 유지했다. 또 매우 높은 출력조건에서 상용 PVDF 바인더를 적용한 나트륨 전지보다 5배 이상의 높은 용량을 발현했다. 

최성훈 박사는 “이번에 개발한 바인더는 차세대 나트륨 이온 배터리 고전압 양극에 적용돼 상용 PVDF 바인더 대비 우수한 배터리 성능을 구현했고, 작동 원리도 규명해 바인더 설계 방향에 대한 비전을 제시했다"라며 "향후 나트륨 이온 배터리뿐만 아니라 다양한 고전압 기반 양극 바인더 설계에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 에너지연 기본사업과 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)' 3월호 표지논문으로 선정됐다.