에너지 저장에 혁신을 가져올 수 있는 새로운 나트륨 이온 배터리 전극

리튬 이온 배터리(LIB)는 충전식 배터리 환경을 지배하고 있으며, 가전제품, 전기 자동차(예: 테슬라 자동차), 재생 에너지 시스템, 우주선 등 광범위한 분야에서 활용되고 있습니다.

나트륨 이온 배터리를 위한 탁월한 대용량 전극을 얻기 위해 경질 탄소를 성형합니다. 합성 과정에서 산화아연을 템플릿으로 사용하여 경질 탄소에 나노 기공을 만들 수 있습니다. 이러한 기공을 통해 더 많은 전하 캐리어를 저장할 수 있으므로 리튬 이온 배터리와 비슷한 에너지 밀도에 도달할 수 있는 나트륨 이온 배터리의 유망한 전극 후보가 될 수 있습니다. Image Credit: Shinichi Komaba from Tokyo University of Science Japan

리튬이온 배터리는 다른 충전식 배터리에 비해 다양한 측면에서 우수한 성능을 제공하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 리튬은 한정된 자원이며, 리튬의 가용성이 감소함에 따라 가격이 상승할 것으로 예상됩니다. 

또한 일반적으로 사용되는 액체 전해질은 독성과 인화성이 있기 때문에 리튬을 추출하고 부적절하게 폐기하는 것은 심각한 환경 문제를 야기합니다.

리튬 이온 배터리(LIB)의 한계로 인해 대체 에너지 저장 기술을 모색하기 위한 전 세계적인 연구 노력이 박차를 가하고 있습니다. 나트륨 이온 배터리(NIB)와 칼륨 이온 배터리(KIB)는 비용 효율적이고 지속 가능한 솔루션을 제공하는 유망한 대안으로 떠오르고 있습니다. 나트륨 이온 배터리와 칼륨 이온 배터리는 모두 10년이 지나면 수십억 달러 규모의 산업이 될 것으로 예상됩니다.

미국, 오스트리아, 홍콩, 독일, 호주를 비롯한 전 세계 정부는 이 분야의 연구와 혁신을 적극적으로 지원하고 있습니다. 파라디온 리미티드, 티아마트 SAS, 하이나 배터리 테크놀로지 등 유명 기업들이 이 기술에 막대한 투자를 하고 있습니다. 컨템퍼러리 앰퍼렉스 테크놀로지와 같은 회사에서 NIB를 탑재한 전기 자동차 배터리 팩을 출시하여 곧 여러분의 꿈을 실현시켜 줄 것으로 기대됩니다.

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NIB와 KIB의 잠재력에도 불구하고 이러한 시스템의 전극 재료 용량은 여전히 LIB에 비해 뒤쳐져 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일본 도쿄대학 과학(TUS)의 코마바 신이치 교수가 이끄는 연구팀은 NIB와 KIB를 위한 획기적인 고용량 전극 소재를 개발하기 위해 활발히 연구하고 있습니다.

2023년 11월 9일자 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 게재된 최신 연구에서는 전례 없는 성능을 발휘하는 나노 구조의 '경질 탄소'(HC) 전극을 위한 새로운 합성 전략을 소개하고 있습니다. 이 연구의 공동 저자로는 이가라시 다이스케, 다나카 요코, TUS의 료이치 타타라 부교수, 일본 국립재료과학연구소(NIMS)의 케이 쿠보타 박사가 있습니다.

HC는 비정질이기 때문에 그래핀이나 다이아몬드와 같은 다른 형태의 탄소와 다르며, 잘 정의된 결정 구조가 없습니다. HC는 강도와 저항성이 뛰어난 것으로 알려져 있습니다.

코마바 교수와 그의 팀은 2021년에 수행한 이전 연구에서 NIB용 HC 전극을 합성하는 동안 산화마그네슘(MgO)을 템플릿으로 사용하는 방법을 발견했습니다. 이 접근법은 전극의 나노 구조를 변경하여 MgO를 제거하면 나노 기공이 생성되도록 했습니다. 이러한 변형은 나트륨 이온(Na+)을 저장하는 전극의 용량을 크게 증가시켰습니다.

연구진은 이전 발견을 바탕으로 아연(Zn)과 칼슘(Ca)으로 구성된 화합물이 HC 전극에 효과적인 나노 템플릿으로 사용될 수 있는지 조사했습니다. 이를 위해 산화아연(ZnO)과 탄산칼슘(CaCO3)으로 만든 다양한 HC 샘플을 체계적으로 조사하고 산화마그네슘(MgO)을 사용하여 합성한 샘플과 성능을 비교 분석했습니다.

초기 실험에 따르면 산화아연은 NIB의 음극 재료로서 상당한 가능성을 보였습니다. 그 후 연구진은 합성 과정에서 HC 매트릭스에 통합된 ZnO의 농도를 미세 조정했습니다.

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이러한 최적화를 통해 91.7%의 높은 초기 쿨롬 효율과 0.18V의 낮은 평균 전위(Na+/Na 대비)를 가진 464mAh g-1(NaC4.8에 해당)의 가역 용량을 얻을 수 있었습니다.

연구팀은 이 고성능 전극 소재를 실제 배터리에 통합하여 놀라운 결과를 얻었습니다.

음극으로 최적화된 ZnO-템플링된 HC를 사용하여 제조된 NIB는 312 Wh kg-1의 에너지 밀도를 나타냈습니다. 이 값은 현재 상용화된 특정 유형의 LiFePO4 및 흑연을 사용한 LIB의 에너지 밀도와 동일하며, 2011년 우리 연구실에서 보고한 최초의 NIB 에너지 밀도(192 Wh kg-1)의 1.6배 이상에 해당합니다.

- 코마바 신이치, 저자, 도쿄 과학 대학 응용 화학과

특히, ZnO 템플릿 HC는 KIB에 통합되었을 때 381mAh g-1의 높은 에너지 밀도를 보여줌으로써 그 잠재력을 더욱 돋보이게 했습니다.

요약하면, 이 연구 결과는 무기 나노 입자를 템플릿으로 사용하여 기공 구조를 조절하는 것이 HC 전극 개발에 중요한 지침이 될 수 있음을 시사합니다. "우리의 연구 결과는 HC가 흑연을 대체할 수 있는 음극 전극의 유망한 후보임을 증명합니다."라고 코마바 교수는 결론을 내립니다.

이러한 개발은 지속 가능한 가전제품, 전기 자동차, 태양열 및 풍력 발전소의 에너지를 활용하기 위한 저탄소 발자국 에너지 저장 시스템 등의 실용적인 응용 분야에 NIB를 적합하게 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

 

https://www.azom.com/news.aspx?newsID=62155

New Sodium-Ion Battery Electrode Could Revolutionize Energy Storage