(The rolled sodium-ion full-cell battery is shown powering an array of red LEDs in the outline of a longhorn, the logo of the University of Texas at Austin. Credit: Hongsen Li et al. ©2016 The Royal Society of Chemistry)
오늘날 모바일의 시대가 도래하고 전기 자동차나 하이브리드 자동차가 상용화 될 수 있었던 것은 모두 배터리 기술의 진보 덕분입니다. 하지만, 더 가볍고 오래가는 모바일 기기는 물론 다양한 웨어러블 IoT 기기, 그리고 전기 자동차나 ESS 등 여러 분야에서는 더 저렴하고 성능 좋은 배터리를 필요로 하고 있습니다. 리튬 배터리는 여러 가지 좋은 특징을 가지고 있기는 하지만, 리튬 자원 자체가 일부 지역에 편중되어 있으면서 가격도 비싸 더 저렴한 대안을 찾기 위한 노력이 진행 중입니다.
이중에서 주목을 받고 있는 소재는 바로 나트륨 (소듐) 입니다. 리튬과는 달리 매장량이 무궁무진한데다 가격이 저렴하고 리튬과 비슷한 특징을 지니고 있어 차세대 배터리 소재로 안성맞춤이기 때문입니다. 하지만 동시에 나트륨 이온은 리튬 이온보다 크기가 커 다루기가 어렵고 순수한 나트륨 금속은 반응성이 커 안전성과 성능 모두에서 떨어진다는 문제가 있었습니다.
텍사스 대학 연구팀은 nanostructured Na2Ti3O7/VOPO4라는 새로운 소재를 사용한 전극으로 이 문제를 극복했습니다. 이들이 만든 새로운 나트륨 배터리는 그 자체로 220 Wh/kg의 에너지 밀도를 지니고 있으며 완전히 조립된 셀은 130 Wh/kg 정도의 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 이는 최신의 리튬 배터리 대비 낮은 것이지만, 기존의 나트륨 배터리 대비 높은 밀도이며 부피로 봤을때는 상용화된 리튬 배터리에 근접한 수준이라고 합니다.
(The sodium-ion full cell reported here is one of the top-performing sodium-ion full batteries in terms of several factors, including voltage, capacity, energy density, and power density. Credit: Hongsen Li et al. ©2016 The Royal Society of Chemistry)
이 새로운 배터리는 3V 정도의 비교적 높은 전압을 달성할 수 있으며 100회의 충방전 사이클 이후에도 92% 정도의 성능을 지니고 있습니다. 그리고 열에도 안전한 특징이 있습니다. 물론 현재 판매되는 리튬 배터리와 경쟁하려면 더 연구가 필요하겠지만, 나트륨 배터리의 미래를 밝게 만드는 소식입니다.
다만 현재 리튬 - 공기 배터리나 혹은 플로우 배터리, 알루미늄 - 공기 배터리 등 여러 가지 다른 대안들이 연구되고 있어 차세대 배터리 경쟁의 승자가 누가 될지는 판단하기 이른 상태입니다. 아마도 한 가지 확실한 점은 필요가 발명의 어머니라는 사실입니다. 우리가 더 강력하고 저렴한 배터리를 원하는 만큼 결국 그런 요구를 충족시킬 차세대 배터리가 개발될 것으로 기대합니다.
참고
Hongsen Li et al. "An advanced high-energy sodium ion full battery based on nanostructured Na2Ti3O7/VOPO4 layered materials." Energy & Environmental Science. DOI: 10.1039/c6ee00794e
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