전기자동차와 에너지저장장치(ESS)의 급속한 성장으로 리튬 원자재 가격이 고공상승 중인 가운데 자원의 편재성, 자원의 무기화 가능성으로 리튬을 대체하기 위한 여러 대책들이 제시되고 있고, 그중 나트륨 기반 이차전지가 대표적인 대체재로 주목받고 있는 것으로 나타났다.

이러한 가운데 한국에너지기술연구원(원장 김남균) 광주친환경에너지연구센터 최성훈 박사 연구진이 고전압 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 향상시키는데 성공했다.

소금이 주성분이 나트륨은 지구에서 6번째로 많은 원소로 리튬보다 440배 풍부하고, 가격은 약 80배 저렴해 배터리 제작 시 단가를 큰 폭으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

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

높은 에너지밀도를 지닌 나트륨전지의 양극재로 알려진 불화인산바나듐나트륨(NVPF)은 4V 이상의 고전압에서는 전해질과 부작용이 일어난다.

이때 사용되는 양극 바인더인 PVDF는 불안정한 CEI를 형성해 양극 표면을 효과적으로 보호해주지 못한다.

이처럼 부작용을 효과적으로 제어하지 못하고 전해질 내 물과 반응해 플루오린화수소를 형성하고, 플루오린화수소가 결국 양극의 구조를 공격해 구조를 붕괴시키고 성능 퇴화를 유도한다.

이러한 가운데 연구진은 전기화학적 반응 중에 플루오린화수소 생성을 억제할 수 있는 나트륨폴리아크릴레이트 바인더를 적용해 배터리 수명과 출력 특성을 비약적으로 향상시켰다.

연구책임자인 최성훈 박사는 “이번에 개발한 바인더는 차세대 나트륨 이온 배터리 고전압 양극에 적용해 상용 PVDF 바인더 대비 우수한 배터리 성능을 구현하고, 작동원리 규명을 통해 바인더 설계 방향에 대한 비전을 제시했다.”며, “향후 나트륨 이온 배터리뿐만 아니라 다양한 고전압 기반 양극 바인더를 설계함에 있어 크게 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

연구진은 후속 연구로 리튬 이온 배터리의 대표적인 고전압 양극 소재로 알려진 LMNO에 적용 시 우수한 성능의 CEI유도 가능한 특수바인더를 개발 중이다.

최근 에너지밀도를 향상시키기 위해 고전압에서 구동 가능한 상용 양극에 대한 관심이 높아지고 있는 추세로 전극 설계에 크게 기여할 것으로 전망된다.