국내 연구진이 바닷물에 풍부한 소금(NaCl)을 이용하여 나트륨 이차전지의 전극으로 활용하는 방법을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 정경윤 박사팀은 바닷물 속에 풍부하게 존재하는 소금의 주요 구성성분인 염화나트륨(NaCl)을 기반으로 하는 나트륨이온 이차전지용 전극 재료를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

전기화학적인 에너지저장 기술인 배터리(이차전지)는 소형 전자기기, 전기자동차, 대규모 전력저장 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 특히 대규모 전력저장 장치의 경우 수 MWh~GWh 규모로 사용되기 때문에 배터리의 가격 및 경제성이 매우 중요한 요소로 작용을 한다.

기존의 리튬이온 이차전지는 우수한 성능을 갖고 있지만, 리튬 및 코발트 등의 원재료는 특정 지역에서만 구할 수 있을 뿐만 아니라 날이 갈수록 가격이 비싸지고 있어, 세계 각지에서 리튬을 대체할 배터리를 개발하려 노력하고 있다.

나트륨이온 이차전지는 리튬이온 이차전지의 원재료 수급 및 가격 문제를 해결할 수 있는 강력한 후보로 떠오르고 있으며, 실제로는 대규모 에너지저장장치에 적용될 수 있다. 나트륨이온 이차전지의 개발을 위해서는 배터리 내에서 실제 전기화학 반응에 참여하는 양극(+) 및 음극(-) 소재의 개발이 가장 중요하다.

NaCl을 적용한 나트륨 이차전지의 모식도.

전지에 사용될 수 있는 전극 소재는 나트륨이온이 소재 내외로 원활하게 이동할 수 있어야 한다. 바다에서 쉽게 구할 수 있으며, 우리에게 가장 친숙한 나트륨인 ‘소금’은 나트륨이온이 이동하기 어려운 구조로 되어 있어서 나트륨이온 이차전지의 소재로 사용되지 못하고 있었다. 학계에서는 소금 대신에 이러한 특성을 갖는 물질로 NaxMO2, NaMPO4 (M=Fe, Mn, Co, Ni), (M= Co, Fe, Mn, Ni) 등을 연구하고 있다.

KIST 연구진은 소금의 주요성분인 염화나트륨(NaCl)을 특별한 전기화학적 공정을 통해 전극 소재에 적합한 구조로 만들었다. 이 공정을 통한 염화나트륨은 나트륨이온이 쉽게 이동할 수 있는 빈자리를 갖게 되어 나트륨 이차전지의 전극으로 사용될 수 있게 됐다.

KIST 정경윤 단장은 “이번 성과는 바닷물 속에 풍부한 소금을 이차전지 전극 소재로 활용할 수 있는 가능성을 열어, 해외 소재에 대한 의존성을 획기적으로 낮출 수 있고, 경제성을 확보할 수 있는 전력저장용 이차전지의 개발 가능성을 한층 높였다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응사업으로 수행됐다. 연구결과는 ‘ACS Energy Letters’ (IF : 16.33, JCR 분야 상위 1.92%) 최신호에 게재됐다.

* (논문명) Electrochemically induced metallization of NaCl: Use of the main component of salt as a cost-effective electrode material for sodium-ion batteries

– (제 1저자) 한국과학기술연구원 Iqra Moeez 연구원

– (교신저자) 한국과학기술연구원 정경윤 책임연구원