바인더 작동 메커니즘 컨셉도(사진=한국에너지기술연구원)

국내 연구진이 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 향상시키는 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원은 광주친환경에너지연구센터 최성훈 박사 연구진이 고전압 양극 소재용 새 바인더 소재를 개발해 나트륨 이온 배터리의 안정성과 출력을 향상시키는데 성공했다고 18일 밝혔다.높은 에너지 밀도를 갖는 나트륨 전지의 양극재로 알려진 불화인산바나듐나트륨(NVPF)은 4V 이상의 고전압에서는 전해질과 부작용이 일어난다.

이때 사용되는 상용 양극 바인더인 PVDF(Polyvinylidene fluoride)는 불안정한 CEI를 형성해 양극 표면을 효과적으로 보호해주지 못한다.

CEI(Cathode-Electrolyte Interphase)는 충-방전 과정 중에 양극-전해질 계면에서 형성되는 얇은 고체전해질 피막으로, 배터리의 전기화학성능 및 안정성에 큰 영향을 끼친다.

이처럼 부작용을 효과적으로 제어하지 못하고 전해질 내 물과 반응해 플루오린화수소를 형성, 플루오린화수소가 결국 양극의 구조를 공격해 구조를 붕괴시키고 성능 퇴화를 유도한다.이에 연구진은 전기화학적 반응 중에 플루오린화수소 생성을 억제할 수 있는 나트륨폴리아크릴레이트 바인더를 적용해 배터리 수명과 출력 특성을 비약적으로 향상시켰다.

나트륨폴리아크릴레이트 바인더가 적용된 나트륨 이온 전지는 10C(배터리의 충·방전 속도를 나타내는 단위)의 매우 빠른 충·방전 조건에서도 2000사이클까지 70%의 높은 용량 유지율을 구현했다.

30C의 매우 높은 출력조건에서는 상용 PVDF 바인더를 적용한 나트륨 전지보다 약 5배 이상의 높은 용량을 발현했다.

연구진은 리튬 이온 배터리의 대표적인 고전압 양극소재로 알려진 리튬-니켈-망간 산화물(LNMO)에 적용 시 우수한 성능을 보이는 CEI 유도 가능한 특수한 바인더를 개발 중이다.

한국에너지기술연구원 광주친환경에너지연구센터 최성훈 박사

최성훈 박사는 “개발한 바인더는 차세대 나트륨 이온 배터리 고전압 양극에 적용해 상용 PVDF 바인더 대비 우수한 배터리 성능을 구현하고, 작동 원리 규명을 통해 바인더 설계 방향에 대한 비전을 제시했다”며 “향후 나트륨 이온 배터리뿐만 아니라 다양한 고전압 기반 양극 바인더 설계 시 큰 기여가 가능할 것”이라고 말했다.

에너지연 기본사업과 산업통상자원부 소재부품기술개발사업 지원을 받아 수행된 이번 연구의 결과는 재료·에너지 분야 우수 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’의 저널 10주년 기념 3월호 표지논문으로 선정됐다.


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