저렴하고 성능이 우수한 상온 나트륨 황 전지

현재 2차 전지의 대세는 리튬 이온 계열 배터리입니다. 에너지 저장 밀도가 높고 수명이 길며 많은 투자와 연구가 이뤄져 성능이나 신뢰성 면에서 아주 우수합니다. 작게 만들 수 있게 가볍다는 것 역시 무시하기 힘든 장점입니다. 하지만 리튬이 너무 비싼데다 한정된 자원이고 화재 위험성이 있다는 점 때문에 대용량 에너지 저장 시스템에는 적합하지 않은 특징이 있습니다. 따라서 과학자들은 리튬을 대체할 수 있는 흔한 소재에 주목하고 있습니다. 그중 하나가 나트륨입니다.

나트륨 계열 전지 가운데 현재 상용화 된 것이 나트륨 황 (sodium - sulfur) 배터리입니다. NaS 배터리라고 불리는 나트륨 황 배터리는 흔한 소재를 사용하고 있어 가격을 낮출 수 있고 에너지 저장 밀도도 상대적으로 높은 편이라서 대용량 에너지 저장 장치(ESS)에 활용할 수 있습니다. 국내에서도 관련 투자가 이어지고 있습니다.

하지만 나트륨 황 배터리는 아직 충방전 사이클이나 수명, 에너지 밀도에 한계가 있으며 작동을 위해서는 고온으로 가열해 주어야 한다는 단점이 있습니다. 따라서 최근 이를 연구하는 과학자들은 상온에서 작동하면서 높은 에너지 밀도와 수명을 지닌 나트륨 황 배터리 개발에 주력하고 있습니다.

호주 시드니 대학의 센룽 자오 박사 (Dr Shenlong Zhao from the University of Sydney)가 이끄는 호주, 중국 국제 연구팀은 탄소 기반의 전극과 열분해 (pyrolysis) 방식으로 제조한 나트륨 황 배터리를 통해 기존의 상온 나트륨 황 배터리가 지녔던 한계를 극복했습니다.

연구팀이 개발한 나트륨 황 배터리는 상온에서도 1g 당 1,017 mAh의 밀도를 지녀 리튬 이온 배터리의 4배 수준일 뿐 아니라 1000회 충방전 사이클에서도 50% 정도 용량을 보존해 대규모 에너지 저장 시스템에 적합한 특징을 지니고 있습니다.

연구팀은 셀 (cell) 형태의 시제품을 만들어 상업화를 위한 연구를 진행하고 있습니다. 이론적으로만 보면 리튬 이온 배터리보다 더 좋은 신기술이 넘치지만, 실제 시장에서는 이미 많은 연구와 개량을 거쳐 경제성과 신뢰성을 확보한 리튬 이온 배터리의 시장 규모가 더 커지고 있습니다. 다른 대안적 기술이 본격적으로 점유율을 늘릴 수 있을지 궁금합니다.

참고

https://newatlas.com/energy/cheap-sodium-sulfur-battery-four-times-capacity/

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206828?utm_source=google&utm_medium=paidsearch&utm_campaign=R3MR425&utm_content=PhysSciEngineering

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