류원희 교수팀,‘차세대 초고에너지 이차전지’

나트륨금속전지의 수명·안정성 문제 개선에 활용

6일 국제전문학술지 표지논문 게재 성과도

숙명여대 ‘차세대 배터리’ 나트륨금속전지 초장수명·급속충전 기술 개발
류원희 숙명여대 화공생명공학부 교수 연구팀의 논문이 게재된 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 9월 6일자 표지 [숙명여대 제공]

[헤럴드경제=안효정 기자] 숙명여대는 류원희 화공생명공학부 교수 연구팀이 차세대 이차전지로 주목받는 나트륨 금속전지를 기존보다 6배 오래가고 빠르게 충·방전할 수 있는 핵심 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

숙명여대에 따르면 류 교수 연구팀은 비닐피롤리돈(Vinyl pyrrolidone) 기반의 분극성 분자를 계면 안정화 첨가제로 전해질에 소량 도입해 급속 충·방전 중에도 5000회 이상의 사이클에서 초장수명 구동이 가능한 나트륨 금속전지 기술을 개발했다.

기존 나트륨 이차전지는 희귀한 리튬 대신 풍부한 나트륨을 활용해 배터리 가격을 크게 낮출 수 있지만, 리튬 이차전지에 비해 에너지 밀도가 낮다는 점이 상용화의 걸림돌로 작용해왔다. 대신 낮은 용량의 하드카본 음극 대신 나트륨 금속을 음극으로 도입하는 나트륨 금속전지가 경제성과 고에너지를 동시에 달성할 수 있는 유망한 기술로 주목받고 있다.

나트륨 금속 음극은 리튬 금속 음극 대비 높은 반응성으로 인해 수지상(dendrite) 형성과 단락으로 인한 배터리 폭발, 전지 수명 저하 및 안정성 문제가 발생하는 만큼 안정화 기술이 필수적이다.

류 교수 연구팀의 논문에서는 비닐피롤리돈 분자를 전해질 첨가제로 도입할 경우, 금속 음극이 급속 충·방전이 거듭되는 5mA/㎠의 높은 전류에서 나트륨이 전착과 용출을 반복하더라도 나트륨 금속 음극 표면이 평탄하게 유지되며 안정적인 나트륨 결정 성장을 보인다고 보고했다. 또 고체 전해질 계면(SEI)을 고품질화하고 안정적인 구조로 유지하는 데도 기여하는 것으로 밝혀졌다.

류 교수 연구팀은 전해질에 1% 소량의 분극성 전해질 첨가제를 도입하는 것만으로도 고속 충·방전 상황에서 기존 나트륨 금속전지 대비 6배 이상의 사이클 수명이 유지된다는 사실도 확인했다.

류 교수는 “이번 연구 성과는 가격 경쟁력은 있지만 상용화의 걸림돌로 여겨졌던 나트륨 이차전지의 낮은 에너지 밀도 문제를 해결하고, 배터리 안정성과 급속 충·방전 성능을 동시에 확보함으로써 기존 리튬 이차전지를 대체할 가능성을 제시했다”고 밝혔다.

숙명여대 화공생명공학과 석사과정 전서영 학생이 1저자로 참여한 이번 논문은 지난 6일 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF=24.4)’ 표지 논문으로 게재됐다. 이 연구는 한국연구재단의 한계돌파형 4대 차세대 이차전지 핵심원천기술개발사업과 한국과학기술연구원의 미래원천청정신기술개발사업의 지원을 받았다.