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리튬(Li) 가격이 급증하고 있다. 1년 전 t당 900만원이던 것이 최근 2600만원까지 올랐다(탄산리튬(Li2CO3) 가격 기준). 전기차 수요가 폭발적으로 늘면서 배터리 원료인 리튬 수요가 급증한 탓이다. 비싸진 리튬 대신해 나트륨(Na)으로 전고체전지를 만드는 기술이 개발돼 주목받고 있다. UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 정윤석 교수와 DGIST 홍승태 교수(이상 교신저자), 서울대학교 오승모 교수 공동연구팀은 ‘고성능 나트륨 이온 전고체전지’를 개발했다. 세계적으로 매장량이 고르고 풍부한 나트륨을 이용해 ‘저렴하고 안전한 전고체전지’를 개발할 가능성을 열었다. 전고체전지는 기존의 이차전지와 달리 유기계 액체전해질을 사용하지 않는다. 이 덕분에 고온에서도 안정적이며 화재나 폭발 위험이 없는 ‘꿈의 전지’로 여겨진다. 이런 전고체전지를 구현하기 위해서는 이온 전도를 위한 ‘고체전해질’ 개발이 핵심이다. 정윤석 교수는 “최근 나트륨 이온을 활용한 이차전지는 리튬 이온 전지에 비해 가격 경쟁력에서 앞설 수 있는 차세대전지로 주목받고 있다”며 “하지만 기존 나트륨 이온 고체전해질은 이온전도도가 낮아 전고체전지로 구현하기 어려웠다”고 설명했다. 연구팀은 다양한 물질을 탐색한 끝에 ‘나트륨 황화안티몬(Na3SbS4)’의 이온 전도도가 1.1mS/cm로 매우 높다는 것을 발견했다. 이 값은 지금까지 개발된 나트륨이온 고체전해질 중 최고 수치다. 특히, 이 소재는 액상공정으로도 가공이 가능하다는 장점도 있다. 나트륨 황화안티몬이 물이나 메탄올에 완전히 용해되고, 이후 용매를 제거하면 다시 고체전해질을 얻을 수 있기 때문이다. 정 교수는 “액상공정으로 만든 고체전해질(Na3SbS4)을 전극활물질 입자 표면에 균일하게 코팅하는 데 성공했다”며 “이를 전고체전지에 적용하자 성능이 크게 향상됐다”고 말했다. 이번에 개발된 고체전해질은 이온 전달경로가 3차원으로 연결돼 전도도가 높다. 이뿐 아니라 공기 중에서도 안정해 뛰어난 소재로 평가된다. 또 물이나 메탄올 같은 일반적인 용매에도 녹일 수 있어 나트륨 이온 전고체전지 연구개발의 획기적인 전환점으로 평가받는다. 한편 이 연구성과는 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 온라인판 최신호에 소개됐다. 연구지원은 미래창조과학부 일반연구자지원사업과 UNIST 해수전지과제의 지원으로 이뤄졌다. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경리튬이온전지는 2001년 처음 상용화된 이래 스마트폰과 노트북 등 소형 휴대용 전자기기에 성공적으로 적용됐다. 최근에는 전기자동차와 ESS(Energy Storage System) 등 대용량 전지 시스템까지 적용 분야가 확장되고 있다. 그러나 리튬이온전지는 쉽게 기화되거나 발화성이 있는 ‘유기계 액체전해질’을 사용한다. 이러한 취약한 안전성으로 인해 대용량 전지 시스템에 기존의 리튬이온전지를 적용하기 어려웠다. 나트륨은 매장량이 많고 널리 분포하고 있어, 나트륨이온전지가 최근 큰 주목을 받고 있다. 이에 기존의 리튬이온전지를 모방한 나트륨이온전지가 많이 연구되어 왔다. 그러나 기존의 나트륨이온 고체전해질은 이온전도도가 충분히 높지 않아 ‘나트륨 이온 전고체전지’의 개발은 지체되어 왔다. |
2. 연구내용1.1mS/cm의 높은 이온전도도를 가지는 나트륨 황화안티몬(화학식:Na3SbS4)을 합성했고, 3차원 이온전달 경로를 가지는 것을 확인했다. 또한 이 소재는 액상공정 또한 가능하다는 것을 발견했다. 나트륨 황화안티몬은 물 또는 메탄올에 완전히 용해되고, 이후 용매를 제거하면 다시 고체전해질이 얻어진다. 본 연구진은 메탄올을 이용한 액상공정을 통해 고체전해질(Na3SbS4)이 균일하게 코팅된 활물질(NaCrO2)을 얻는 데 성공했고, 이를 적용해 고성능 나트륨 전고체전지를 개발할 수 있었다. |
3. 기대효과일본 자동차 회사인 도요타는 황화물계 고체전해질(Sulfide Solid Electrolyte)을 적용한 리튬 이온 전고체전지를 적용한 전기자동차를 2020년까지 상용화하기 위해 전폭적인 투자를 하고 있다. 이번 연구를 통해 기존의 ‘리튬 이온 전고체전지’와 별도로 ‘나트륨 이온 전고체전지’의 가능성을 제시했다. 향후 이에 대한 학계 및 산업계의 관심이 확대될 것으로 예상되고, 궁극적으로는 안전한 전고체전지의 상업화에 기여할 것으로 기대된다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 앙게반테 케미 (Angewandte Chemi)독일의 Wiley-VCH사에서 창간한 과학 학술지로서, 2015년 현재 인용지수(Impact factor) 11.709으로 응용화학 분야 최고 권위지이다. |
2. 전고체전지 (All-solid-state batteries)리튬 또는 나트륨이온전지의 3대 구성요소는 양극, 음극, 전해질이다. 더 세부적으로 보면 배터리의 (+)극인 양극 활물질, (-)극인 음극 활물질, 양극 활물질과 음극 활물질 사이에서 리튬 또는 나트륨이온의 통로를 제공하는 액체전해질이다. 여기에서 열적으로 불안정한 유기계 액체전해질을 열적으로 안정한 무기계 고체전해질로 대체한 전지가 전고체전지다. |
3. 전해질일반적인 전해질의 정의는 ‘염이 이온 상태로 녹아있는 용액으로, 전류가 흐를 수 있는 물질’이다. 배터리에서 사용되는 유기계 액체전해질은 리튬염이 유기계 극성 용매에 녹아 리튬이온이 이동하며 전류가 흐른다. 반면 무기계 리튬 또는 나트륨이온 고체전해질은 ‘특정 무기계 결정구조 내에서 리튬 또는 나트륨이온이 고정되어 있지 않고 자유롭게 이동하면서 전류가 흐르는 물질’이다. |
4. 활물질나트륨이온을 가역적으로 삽입/탈리되면서 에너지를 저장하는 물질이다. 높은 전위에서 에너지를 저장하는 물질을 ‘양극 활물질’이라 하고, 낮은 전위에서 에너지를 저장하는 물질을 ‘음극 활물질’이라고 한다. |
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[붙임] 그림 설명 |
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그림1. 나트륨 황화안티몬(Na3SbS4)의 결정구조: 나트륨 황화안티몬(화학식:Na3SbS4)의 결정구조 모식도. 3차원 나트륨 이온 전도 채널을 가지고 있다.
그림2, 3. 고체전해질 코팅용액의 사진 및 고체전해질이 코팅된 전극 활물질의 전자현미경 사진: 고체전해질(Na3SbS4)이 용해된 메탄올 용액의 사진 및 이를 이용한 액상공정을 통해 얻은 고체전해질(Na3SbS4)이 코팅된 전극활물질(NaCrO2)의 TEM 사진.
그림4. 고체전해질이 코팅된 활물질을 이용한 나트륨이온 전고체전지의 성능: 활물질(NaCrO2)과 고체전해질(Na3SbS4)을 단순히 물리적으로 혼합해 제작한 전극의 경우에 비해, 고체전해질이 코팅된 활물질을 이용해 제작한 전극의 경우 훨씬 뛰어난 성능을 보인다. |
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