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2015년 6월 9일 화요일

나트륨(소듐) 공기 배터리



 배터리 산업은 최근 급격히 성장했습니다. 모바일 스마트 기기의 시대가 가능했던 것은 가볍고 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬 이온 배터리 덕분이었지만, 역으로 모바일 기기가 범람하면서 배터리 산업은 더 규모가 커졌습니다. 그리고 이제 전기 및 하이브리드 자동차의 보급이 점차 증가하면서 그 수요는 앞으로 더 증가하게 될 것입니다. 

 하지만 바로 이 부분이 고민이기도 합니다. 리튬은 자원이 풍부하지 못해 가격이 비싸고 고갈의 위험성이 있습니다. 따라서 많은 연구자들이 리튬을 대신할 다른 소재를 연구하고 있습니다. 그 중에서 리튬과 성질이 비슷하고 지구에 매우 풍부한 나트륨(=소듐)은 대표적인 대체 원료입니다.


 워터루 대학의 춘 시아(Chun Xia)와 그의 동료들은 네이처 케미스트리(Nature Chemistry)에 발표한 논문에서 새로운 형태의 소듐 공기 배터리(Sodium - air battery)를 공개했습니다. 이들은 본래 에너지 저장 밀도가 아주 높은 리튬 공기 배터리의 개발을 시도했으나 곧 기술적 한계에 부딪히자 더 풍부한 자원인 소듐 쪽으로 방향을 틀었습니다. 

 이들이 개발한 배터리는 NaO2(이산화 나트륨)을 기반으로 하고 있습니다. 산소와 결함한 이산화 나트륨이 전해질 용액에 녹으면 나트륨 이온과 산소로 분리됩니다. 이 이온들은 산화와 환원을 반복하며 전자를 주거나 받아들이게 됩니다. (아래 개념도 참조) 



(나트륨 공기 배터리의 개념도.  Schematic illustration of the mechanism of proton phase-transfer catalysis. a, In ORR, oxygen is reduced at the surface to form superoxide and reacts with trace water to form soluble HO2. The latter undergoes metathesis with Na+, driven by the free energy of formation of crystalline NaO2, to form cubic nuclei that crystallize from solution. Growth of the NaO2 from solution to form micrometre-sized cubes occurs via epitaxial growth promoted by phase-transfer catalysis of the superoxide from solution to the solid. b, OER is the reverse process: protons in solution react with the surface of the NaO2 cubes to generate HO2, releasing Na+ into the electrolyte. The soluble HO2 is transported to the carbon surface, where it is oxidized to O2. Credit: Chun Xia, et al. Nature Chemistry, doi:10.1038/nchem.2260)

 리튬 공기 배터리의 경우 생성되는 Li2O2 가 불안정하고 처리가 곤란한 반면 Na2O2나 NaO2 는 안정할 뿐 아니라 비교적 처리가 간단하다고 합니다. 이 소듐 공기 배터리에서는 마이크로미터 크기의 NaO2 결정이 생기는데 쉽게 다시 용해되어 배터리의 성능을 크게 떨어뜨리지 않는다고 합니다. 다만 음극 이외의 부분에서 결정이 자라나는 문제점 등이 있어 아직은 개선이 필요하다고 합니다.    

 몇 가지 기술적 문제를 극복할 수만 있다면 소듐 공기 배터리는 저렴하게 대량으로 생산이 가능할 수 있습니다. 리튬 기반 배터리보다 에너지 저장 밀도는 다소 떨어지지만 가격이 저렴하다면 대형 배터리가 필요한 전기 자동차 및 에너지 저장 장치(ESS) 등 여러 분야에 사용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 


 참고  




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