[신기술소개] 워싱턴대(Washington University in St. Louis): 안정적이고 효율적인 음극 없는 나트륨 배터리 개발

http://www.ksiec.or.kr

64

워싱턴대(Washington University in St. Louis):

안정적이고 효율적인 음극 없는 나트륨 배터리 개발

워싱턴대의 McKelvey 공대의 에너지, 환경 및 화학 공학과 Peng Bai 교수는 매우 효율적이고 제조비용 이 저렴하며 안정적일뿐만 아니라, 기존 리튬 이온 배터리보다 훨씬 작은 나트륨 이온 배터리를 개발했다.

음극과 양극으로 구성되는 전통적 리튬 이온 배터리는 전극재에서 리튬 이온을 저장하며, 전극 분리막, 이온 이동을 위한 전해질 등으로 이뤄진다. 방전 시, 리튬 이온(Li

)이 음극에서 양극으로 흐르고, 자유 전 자는 집전체를 통해 전원이 공급되는 장치로 들어가고 리튬 이온은 분리막를 양극으로 전달된다. 반대로 충전 시, 리튬이온은 양극에서 분리막을 지나 음극으로 전달됨을 통해서, 양 전극(양극과 음극)은 중요한 전기화학 요소로 작용한다.

음극 없는 배터리는 불안정하고 손가락 모양의 리튬 또는 나트륨 등의 알칼리 금속의 높은 반응성으로 인한 수상 돌기가 자라는 경향이 있으므로, 이로 인해 배터리 단락 및 빠른 성능 저하가 나타날 수 있다.

이번 워싱턴대 연구팀이 새로 설계한 배터리에서는 음극쪽에 얇은 구리 호일만 집전체로 사용되며, 활성 음극 물질이 없으므로, 음극이 없는 배터리에서 이온은 금속으로 변형된다. 먼저 구리 호일에 도금한 다음 음극으로 돌아갈 때 용해된다.

Figure. (a~d & g) 한계전류밀도에서 모세관 셀 내 Na 전기 도금의 Operando 관찰 스냅샷.

(e) 카운터 전극 향면의 주름 평탄화 과정. (f) Na 잉곳의 측면 따라 이동. (h) 이끼가 낀 성장과

(i) 전해질에 수분 수준이 10ppm을 초과시 존재하는 가스 방울에 의한 비 이상적인 계면 안정성 스냅샷.

KIC News, Volume 24, No. 3, 2021

KIC News, Volume 24, No. 3, 2021

65 Bai 교수는 “본 연구에는 알칼리 금속의 수상 돌기와 손가락 구조가 없으며, 침전물은 매끄럽고 금속 광 택이 있다. ”며, “배터리를 관찰하기 위해 독특하고 투명한 모세관 셀을 개발, 배터리의 오류(수상 돌기 형 성 등)를 실시간으로 관찰할 수 있었다.”고 했다. 이어서, Bai 교수는 “동적 프로세스 동안의 불안정성을 평 가하기는 매우 어려우나 특성화할 계획이다. ”

연구팀은 알칼리 금속의 물과 반응성을 고려, 수분 함량을 100 ppm 미만으로 낮추었고, 이를 통해 배터 리 작동 시 수상 돌기의 성장 없이 반짝이고 매끄러운 나트륨 침전물만 관찰할 수 있었다. 본 연구를 기반 으로 연구팀은 모세관 전지뿐만 아니라 표준 리튬 이온 배터리와 성능이 비슷하지만 음극이 없어 공간을 훨씬 적게 차지하는 작동 배터리를 만들 수 있었고, 이를 통해 리튬 배터리과 동일한 에너지 밀도를 구현할 수 있었다.

연구성과는 Wiley-VCH 출판 그룹의 Advanced Science 온라인판에 게재되었다(Advanced Science, 2021; 2005006 DOI: 10.1002/advs.202005006).

출처: 2021. 5. 3. Science Daily (https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210503172834.htm)

작성: 손 희 상 (광운대학교)