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'차세대' 소듐이온 배터리 발목 잡아온 수명 저하 원인 규명

송고시간2022-03-25 13:26

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차세대 배터리로 연구되고 있는 소듐이온 배터리는 현재 전기자동차를 비롯한 대부분의 2차전지에서 표준이 되는 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 잠재력을 가진 것으로 평가돼 왔다.

충전-방전이 거듭되면서 배터리 성능이 급격히 떨어지는 치명적 약점이 해결되지 않아 그간 상용화가 어려웠다.

이런 상황에서 미국 에너지부 산하 '아르곤 국립연구소' 연구진이 충방전 과정에서 성능을 떨어뜨리는 결정적 원인을 찾아낸 연구결과를 내놓아 소듐이온 배터리의 상용화 길이 열릴지 주목된다.

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충방전 사이클 짧은 단점 해결 단서…저렴한 2차 전지시대 '희망'

[게티이미지뱅크 제공]

[게티이미지뱅크 제공]

(서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 차세대 배터리로 연구되고 있는 소듐이온 배터리는 현재 전기자동차를 비롯한 대부분의 2차전지에서 표준이 되는 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 잠재력을 가진 것으로 평가돼 왔다.

값비싼 리튬 대신 흔한 소듐(나트륨)을 이용해 저렴하게 만들 수 있고 같은 용적에 더 많은 전기를 저장할 수 있는 장점을 갖고 있기 때문이다. 그러나 충전-방전이 거듭되면서 배터리 성능이 급격히 떨어지는 치명적 약점이 해결되지 않아 그간 상용화가 어려웠다.

이런 상황에서 미국 에너지부 산하 '아르곤 국립연구소' 연구진이 충방전 과정에서 성능을 떨어뜨리는 결정적 원인을 찾아낸 연구결과를 내놓아 소듐이온 배터리의 상용화 길이 열릴지 주목된다.

아르곤국립연구소에 따르면 연구진은 배터리의 음극 소재를 준비하는 과정에서 원자 단위의 결함이 발생하는 것을 확인했다. 이 결함이 음극의 구조적 지진(structural earthquake)으로 이어져 충방전이 거듭되는 과정에서 재앙적 성능 저하를 초래하는 것으로 나타났다.

연구진은 배터리 제조 업체들이 음극 소재 합성 조건을 조정해 성능이 더 우수한 음극을 만들어 낼 수 있다고 밝혔다.

소듐이온 배터리 음극은 음극 소재를 초고온으로 서서히 가열한 뒤 일정 시간 유지하다 실온으로 급격히 낮추는 과정을 거쳐 합성한다.

연구진은 아르곤연구소의 나노물질센터(CNM) 투과전자현미경과 방사광가속기(APS)의 싱크로트론 X선을 활용해 이런 음극 소재 합성 과정을 실시간으로 원자 단위까지 들여다봤다.

그 결과, 온도를 급격히 낮출 때 음극 입자 표면의 매끄러움이 떨어지고 압력을 받는 곳이 많이 나타났으며 충방전 사이클이 거듭되면서 이 부위에서 밀고 당기는 힘이 작용해 입자의 균열이 생기고 성능 저하로 이어졌다.

연구진은 이런 성능 저하가 54℃ 고온에서 충전하거나 급속충전할 때 더 심해지는 것도 밝혀냈다.

아르곤연구소 석좌연구원 카릴 아민 박사는 이번 연구 결과가 "개선된 소듐이온 배터리의 음극을 대량 생산하는 데 아주 중요하다"면서 "예컨대 1천㎏에 달하는 많은 양의 재료로 음극을 만든다면 온도 변화도 많아 적절한 조치가 취해지지 않는다면 그만큼 많은 결함이 생길 수 있다"고 했다.

연구진은 이에 앞서 소듐이온 배터리의 양극을 개선하는 연구결과도 내놓은 바 있는데, 논문 제1저자인 화학자 쉬구이량 박사는 "양극에 맞춰 음극을 개선함으로써 배터리 성능을 20∼40% 더 늘릴 수 있게 됐으며, 이런 성능을 더 오래 지속할 수 있게 될 것이라는 점도 중요하다"고 했다.

연구진은 소듐이온 배터리가 전기자동차를 더 합리적인 가격에 더 멀리 갈 수 있게 해주고 신재생에너지 저장장치 가격을 더 낮추게 될 것이라고 했다.

이번 연구 결과는 과학저널 '네이처 커뮤니케이션'(Nature Communications)을 통해 발표됐다.

새로 합성된 음극재 투과전자현미경이미지(왼쪽)와 음극의 층구조에 작용하는 압력
새로 합성된 음극재 투과전자현미경이미지(왼쪽)와 음극의 층구조에 작용하는 압력

[Argonne National Laboratory 제공/ 재판매 및 DB 금지] photo@yna.co.kr

eomns@yna.co.kr

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