KAIST, 차세대 소듐 이온 전지 개발

[요약]

연구진은 충전 속도가 향상된 음극소재와 고용량 양극 소재를 조합하여 양극 간의 에너지 저장속도 특성차이를 최소화하고 용량 균형을 최적화한 소듐 이온 에너지 저장 시스템을 개발
현 세대 에너지 저장시스템의 한계를 돌파하는 새로운 기술로 기대되며, 향후 EV를 포함한 전자기기 전반에 활용 될 수 있음

소듐 이온 전지는 리튬(Li)보다 매장량이 500배 많은 소듐(Na)을 양극재로 활용하는 에너지 저장 시스템, 연구진은 서로 다른 금속-유기 골격체를 활용하여 최적의 전극 소재 합성법을 활용해 소듐 이온전지의 한계를 극복한 에너지 저장 시스템을 개발

- 소듐 이온 전지(Sodium-ion battery)는 리튬 이온 전지(Li-ion battery)를 대체하기 위해 개발 중인 차세대 이차전지 기술
  - 소듐 이온이 주목받는 이유는 리튬 이온과 비슷한 화학적 성질을 가지고 있으며 해수에 녹아 있어 손쉽게 구할 수 있다는 장점 때문으로 지표 매장량 또한 리튬(0.005%) 대비 500배 이상(2.6%)인 것으로 나타남
  - EV의 등장으로 인해 리튬 이온 전지 수요가 증가하며 리튬 가격이 3배 이상 급증(’19년)함에 따라 리튬의 대체재로 주목받고 있으나, 낮은 충·방전 효율이 한계로 지적되어 왔음
  - ’19년 6월 KAIST 신소재공학과 육종민 교수 연구팀은 황화구리를 음극재료로 사용해 용량과 수명이 늘어난 소듐 이온 전지를 개발하여 어드밴스드 사이언스 표지논문으로 게재한 사례가 있음*
    * 흑연 음극재 이론 용량 대비 약 17% 높은 436mAh/g의 저장용량을 가지며 2천회 이상 충·방전에도 93%의 저장용량을 유지하는 것을 확인

- 강정구 교수 연구팀이 개발한 하이브리드 소듐 이온 전지는 서로 다른 금속-유기 골격체를 활용해 하이브리드 전지에 최적화된 전극 소재 합성법을 활용 기존 리튬이온전지를 뛰어넘는 에너지밀도와 출력 밀도를 갖춤
  - (음극소재) 금속-유기 골격체에서 기인한 다공성 탄소 소재에 미세한 활물질을 함유해 속도 특성이 향상 됨
  - (양극소재) 이온 확산 채널을 극대화해 저장 용량이 높은 축전지용 양극소재 개발
  - 새롭게 개발한 소재를 조합하여 양극 간의 에너지 저장 속도 특성 차이를 최소화하면서도 용량 균형을 최적화한 에너지 저장 시스템을 개발

연구진은 이번에 개발한 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자가 전극 기준 247Wh/kg의 에너지 밀도를 가지고 34,748W/kg의 고출력 밀도에 의한 급속 충전이 가능하다고 밝힘

- 기존 리튬 이온전지와 비교했을 때 더 높은 에너지밀도와 축전기 출력 밀도 특성을 통해 수 초 ~ 수 분 만에 충전 가능
  - 기존 리튬 기반의 에너지 저장시스템과 소듐 이온 전지의 한계를 극복하여 전기차를 포함한 모든 전자기기에 적용하여 혁신적인 성과를 가져올 기술로 전망됨
  - 해당 기술에 대한 논문은 에너지 저장 소재 분야 국제 학술지 에너지 스토리지 머티리얼스에 ’24년 3월 게재

[시사점]

리튬 가격이 안정화하면서 소듐(나트륨)을 활용한 이차전지에 대한 관심이 식을 것으로 예상되었으나, 이차전지 소재 시장에서 중국 의존도를 줄이기 위한 미국EU가 관심을 보이면서 이번 하이브리드 소듐 이온 전지 기술은 상업적 가치또한 매우 클 것으로 예상 됨
우리 정부에서도 차세대 전지(LFP, 소듐, 레독스 등)에 대한 연구개발 투자를 추진하고 있어 빠른 사용화를 기대해 볼 수 있을 전망

[출처]