숙명여대 류원희 교수팀, 기존보다 6배 오래가고 급속충전 가능한 나트륨금속전지 기술 개발

숙명여자대학교는 화공생명공학부 류원희 교수 연구팀이 차세대 이차전지로 주목받는 나트륨 금속전지를 기존보다 6배 오래가고 빠르게 충·방전하는 핵심 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

류 교수 연구팀은 비닐피롤리돈(Vinyl pyrrolidone) 기반의 분극성 분자를 계면 안정화 첨가제로 전해질에 소량 도입해 급속 충·방전 중에도 5000회 이상의 사이클에서 초장수명 구동이 가능한 나트륨 금속전지 기술을 개발했다.

기존 나트륨 이차전지는 희귀한 리튬 대신 풍부한 나트륨을 활용해 배터리 가격을 크게 낮출 수 있지만, 리튬 이차전지보다 에너지 밀도가 낮다는 점이 상용화의 걸림돌이었다.

나트륨 금속전지는 낮은 용량의 하드카본 음극 대신 나트륨 금속을 음극으로 도입해 경제성과 고에너지를 동시에 달성할 유망한 기술로 주목받고 있다.

다만 나트륨 금속 음극은 리튬 금속 음극보다 반응성이 높아 수지상(dendrite) 형성과 단락으로 인한 배터리 폭발, 전지 수명 저하, 안정성 문제가 발생할 수 있는 만큼 안정화 기술이 필수적이다.

연구팀은 비닐피롤리돈 분자를 전해질 첨가제로 도입하면 금속 음극이 급속 충·방전을 거듭하는 5㎃/㎠의 높은 전류에서 나트륨이 전착과 용출을 반복하더라도 나트륨 금속 음극 표면이 평탄하게 유지되며 안정적인 나트륨 결정 성장을 보인다고 보고했다. 또한 고체 전해질 계면(SEI)을 고품질화하고 안정적인 구조로 유지하는 데도 기여한다고 밝혔다.

연구팀은 전해질에 1%의 분극성 전해질 첨가제를 도입하는 것만으로도 고속 충·방전 상황에서 기존 나트륨 금속전지보다 6배 이상의 사이클 수명이 유지된다는 사실도 확인했다.

류 교수는 "이번 연구 성과는 가격 경쟁력은 있지만, 상용화의 걸림돌로 여겨졌던 나트륨 이차전지의 낮은 에너지 밀도 문제를 해결하고 배터리 안정성과 급속 충·방전 성능을 동시에 확보함으로써 기존 리튬 이차전지를 대체할 가능성을 제시했다"고 말했다.

이번 논문은 지난 6일 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스' 표지 논문으로 실렸다. 화공생명공학과 전서영 석사과정생이 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단의 한계돌파형 4대 차세대 이차전지 핵심원천기술개발사업과 한국과학기술연구원의 미래원천청정신기술개발사업의 지원을 받았다.