화학뉴스

나트륨이온2차전지(SIB)가 포스트 LiB(리튬이온전지)로 주목받고 있다.
최근 차세대 배터리 가운데 하나로 급부상하고 있는 나트륨이온2차전지는 LiB와 비슷하게 나트륨이온이 양극과 음극 사이를 오가며 충‧방전되는 구조이며 자원량이 풍부한 나트륨을 소재로 사용해 코스트다운을 실현시킬 것으로 기대되고 있다.
세계 최대 자동차용 LiB 메이저 CATL은 2023년까지 부재를 포함한 나트륨이온2차전지 서플라이체인을 형성하는 것을 목표로 하고 있다.
실제 사용 시에는 저온에서의 동작특성이 강점이 될 수 있는 한랭지역에서의 수요 개척에 유리할 것으로 예상하고 있으며 LiB와 패키지로 공급하는 방안도 검토하고 있다.
실현된다면 나트륨이온2차전지의 부족한 에너지밀도를 LiB로 충족하는 고출력과 저온특성을 함께 갖춘 배터리 시스템이 탄생할 것으로 기대되고 있다.
다만, 나트륨이온은 리튬이온보다 체적이 크고 구조안정성이 과제이며 카본블랙(Carbon Black)을 음극활물질로 사용하면 비표면적이 크기 때문에 음극을 구성하는 바인더나 용제를 과잉 흡수하는 문제도 있다.
아사히카본(Asahi Carbon)은 나트륨이온2차전지의 과제를 해소하기 위해 카본블랙을 사용하는 음극용 복합소재 연구개발(R&D)에 주력하고 있다.
나트륨이온 탈‧삽입이 가능한 결정구조를 갖추고 있는 카본블랙과 산화알루미늄(알루미나) 복합소재를 개발해 음극으로 활용하는 방안을 검증하고 있다.
카본블랙 단일제품과 비교하기 위해 동전형 나트륨이온2차전지 셀을 시험 제작하고 성능시험을 실시한 결과 바인더에 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 사용한 검증에서는 카본블랙 단일 셀의 용량이 5사이클에서 바닥난 것과 대조적으로 복합소재를 적용한 셀은 100사이클까지도 안정된 충‧방전을 보여주는 것이 확인됐다.
복합소재 입자가 버퍼링을 일으키며 체적 변동에 따른 영향을 완화하고 전극구조를 유지한 덕분으로 분석되고 있다.
바인더를 집전체와의 결착력이 높은 PI(Polyimide)로 변경해 성능을 측정했을 때에는 첫 충‧방전 효율이 56.4%를 기록하며 PVDF를 사용했을 때의 33.0%보다 높은 수준을 나타냈고 가역용량도 PVDF는 179mAh였지만 PI는 357mAh로 대폭 향상됐다.
결착력이 높은 전극 구조를 견고하게 유지할 수 있는 PI를 사용함으로써 충‧방전 시 카본블랙의 체적 변동을 억제한 영향으로 파악되고 있다.
아사히카본은 새로운 가능성을 가지고 있는 나트륨이온2차전지를 중심으로 카본블랙 복합소재 등 차세대 배터리용 소재 개발을 본격화할 계획이다. (K)