2차전지 분야 애물단지 '탄산염', 금속+공기로 전기 만드는 '귀한 몸' 변신

포스텍 연구팀, 공기만으로 구동가능한 고에너지·고효울 전고체 나트륨-공기 전지 개발

연구를 주도한 포스텍 강병우 교수(왼쪽)와 박희택 박사. 포스텍 제공

포스텍(포항공대) 신소재공학부·친환경소재대학원 강병우 교수, 신소재공학과 박희택 박사(현 한국전기연구원 차세대전지연구센터) 연구팀은 공기만으로 가역적 구동이 가능한 고에너지·고효율 전고체 나트륨-공기 전지를 개발하는데 성공했다고 9일 밝혔다.

특히 2차전지 분야에서 쓰임이 없다고 알려졌던 탄산염을 활용해 특별한 장비 없이 나트륨(Na)을 만들어냈다는 점에서 의미있다는 게 연구팀의 설명이다.

이번 연구는 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.

2차전지는 전기자동차나 에너지 저장 시스템 등 친환경 기술 분야에서 널리 활용되는 기술이다.

차세대 고용량 2차전지로 알려진 '금속-공기 전지'는 지구상에 풍부한 산소와 금속으로 전력을 생산하는 전지다.

금속과 산소가 반응하는 과정에서 대기 중 이산화탄소와 수증기로 인해 탄산염이 형성되는데, 이 탄산염은 배터리 에너지 효율을 떨어뜨리는 주범으로 지목받고 있다.

이에 연구팀은 천덕꾸러기 취급받던 탄산염을 효과적으로 활용하기 위해 나트륨계 산화물인 나시콘(Nasicon)을 이용했다.

나트륨과 지르코늄 등 여러 원소로 구성된 나시콘은 고체 상태에서 이온을 이동시키는 고체 전해질로, 전기화학적 혹은 화학적으로 매우 안정적이다.

이러한 나시콘 고체전해질을 사용하면 나트륨 금속이 있는 전극이 공기로부터 보호받을 수 있는데다 전지 구동시 형성되는 탄산염 분해도 촉진하는 것으로 나타났다.

탄산염의 가역적인 전기화학 반응은 전지의 에너지밀도를 높였고, 전지를 충·방전할 때 발생하는 전압 차이도 줄여 에너지 효율을 높이는 결과를 냈다.

또 연구팀이 개발한 전고체 나트륨-공기 전지는 나트륨 이온을 전극 내부로 빠르게 전달해 전기를 출력하는 성능도 크게 높이는 것으로 확인됐다.

강병우 교수는 "차세대 고에너지 금속-공기 전지의 고질적인 문제였던 탄산염을 활용하는 방법을 찾았다"며 "산소를 선별하는 별도의 장치 없이 금속과 공기만으로 전지를 구동하는 등 고체 전해질 기반 전지 플랫폼을 통해 차세대 전고체 금속-공기 전지 분야를 선도해나가겠다"고 했다.