화학뉴스

일본이 NiB(나트륨이온전지) 상용화에 도전한다.
NiB는 현재 자동차용으로 주로 사용되는 LiB(리튬이온전지) 분야 글로벌 메이저인 중국 CATL이 2021년 개발 계획을 공개한 이후로 각국에서 연구개발(R&D)이 이어지고 있다.
LiB와 구조가 비슷하지만 나트륨이온이 양극과 음극을 오가며 충‧방전하며 뛰어난 출력특성을 갖추어 스마트폰은 5분만에 100% 추전이 가능한 것으로 알려졌다.
현재 양산화 1단계로 양극에는 나트륨금속산화물, 음극에 하드카본 등을 사용하고 있으나 고용량화하기까지 과제가 많은 것으로 지적된다.
음극용 하드카본은 가역용량이 g당 350mAh이기 때문에 NiB를 고용량화하기 위해서는면 나트륨을 더 많이 흡장시킬 수 있는 신소재로 전환이 요구되고 있다.
일본 도다(Toda Kogyo)와 돗토리(Tottori)대학은 다양한 금속산화물로 구성된 신규 음극재를 개발함으로써 과제 해결에 도전하고 있으며 최근 1007mAh로 높은 이론용량을 갖춘 산화철로 상용화 가능성을 확보한 것으로 알려졌다.
다만, 산화철은 전자전도성이 낮고 장수명화에 적합하지 않으며 산화철 단독으로 제조한 음극을 반복 충‧방전하면 산화철 입자가 응집돼 전극이 붕괴되는 문제가 있다.
도다와 돗토리대학은 산화철에 알루미늄, 비스무트, 인듐, 안티몬, 아연 등 금속을 복합화시킴으로써 산화철 입자의 응집을 막을 수 있을지 시험하고 있다.
나트륨금속 양극과 도다의 산화철에 각종 금속을 복합화시킨 음극을 사용해 동전형으로 제작한 NiB는 서로 다른 소재를 사용했기 때문에 금속 팽창에 변화가 생기는 현상을 막은 것으로 알려졌다.
산화철 단독으로는 입자가 응집돼 20사이클까지 용량이 급격히 쇠퇴되는 문제가 있어 알루미늄과 아연을 적용하자 마찬가지로 용량이 낮아졌으나 안티몬과 산화철을 복합화한 전극에서는 초기 사이클 중 용량 쇠퇴 문제를 개선했고 뛰어난 사이클 안정성을 확보한 것으로 파악되고 있다.
20사이클 후의 전극에 대해서는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)으로 관찰해 산화철 단독 전극보다 크랙 발생을 억제할 수 있음을 확인했다.
도다와 돗토리대학은 산화철 입자 사이에 끼어들어간 안티몬이 충‧방전 시 체적 변화를 따라 팽창-수축함으로써 응집을 막은 것으로 추측하고 있으며 그동안의 연구 성과를 바탕으로 추가 연구를 진행할 계획이다.
안티몬 이외의 금속도 과제 해결 가능성이 있는지 조사하고 최적화된 음극재를 창출함으로써 차세대 배터리 개발을 가속화하는 것을 목표로 하고 있다. (K)