보도자료

[2022. 9. 23.] 연세대 정윤석 교수팀, 알루미늄 기반 저가 소듐 고체전해질 소재 개발 2022.09.23

신촌 홍보팀

연세대 정윤석 교수팀, 알루미늄 기반 저가 소듐 고체전해질 소재 개발

- 고체전해질 저가화를 통해 ESS용 소듐 전고체전지 핵심 소재기술 개발 -

- 국제 학술 권위지 ‘ACS Energy letters’ 게재 -

연세대학교 화공생명공학과 정윤석 교수 연구팀은 소듐 전고체전지의 가격을 낮추고 입자 간 계면 저항 증가를 근본적으로 해결하기 위해 알루미늄 기반 소듐 전고체전지용 신규 고체전해질을 개발했다.

현재 널리 상용화된 리튬이온전지는 유기계 액체전해질을 사용한다. 하지만 이는 단 한 번의 스파크로도 쉽게 불이 붙을 수 있고, 일단 불길이 시작되면 걷잡을 수 없기 때문에 안전성에 심각한 문제가 있다. 실제로 리튬이온전지를 적용한 ESS는 잦은 발화 사고가 발생하고 있다. 이에 더해 급격히 증가하는 배터리 수요에 따라 리튬 가격이 최근 10년간 10배 가까이 상승하면서, 소듐을 이용한 소듐이온전지에 대한 관심이 커지고 있다.

소듐 고체전해질은 발화성이 없는 무기계 물질이면서 주 성분인 소듐은 지표면에 6번째로 많이 존재하는 원소로 매장량에 대한 우려도 없다. 따라서, 이를 적용한 소듐 전고체전지는 기존 리튬이온전지에 비해 저렴한 가격으로 안전하게 에너지를 저장할 수 있는 차세대 전지로서 ESS에 적용될 수 있다.

그러나 지금까지 개발된 소듐 전고체전지는 고체전해질의 가격이 비싸다는 문제가 있다. 또한 높은 에너지밀도를 구현하기 위해서는 3~4V 이상의 높은 전압 구동이 필수적인데, 대부분 고전압에서 심각한 분해 반응을 보여 성능 구현에 어려움이 있었다. 최근 고전압에서도 안정적인 할라이드계 고체전해질 소재가 연구되고 있지만, 대부분 비싼 희토류 금속 원소를 사용하기 때문에 상용화가 어렵다는 문제가 있다.

이러한 기존 연구의 한계를 극복하기 위해, 연세대 정윤석 교수 연구팀은 저렴한 금속원소를 이용한 고전압 소듐 전고체전지용 고체전해질을 고안했다. 지구 표면에 3번째로 많이 존재하는 원소인 알루미늄을 이용한 고체전해질 소재를 개발함으로써, 3V급 전고체전지를 수백 회 사이클 동안 안정적으로 구현하는 데 성공했다.

정윤석 교수 연구팀이 개발한 신규 소듐 고체전해질인 NaAlCl4는 기존에 고온 환경에서 구동되는 ZEBRA 타입 전지에서 용융염 전해질로 사용되던 물질인데, 본 연구를 통해 상온에서 전고체전지 구동을 최초로 구현한 데 그 의의가 있다.

전해질 내 소듐 이온 전도 메커니즘 또한 X선 회절 분석과 결합원자가모델 계산을 통해 규명됐다. 해당 물질 안에서 소듐은 염소 원자와 NaCl6 삼각기둥을 형성하며, 1차원 또는 2차원 경로를 통해 이온이 이동하는 것으로 밝혀졌다.

연세대 정윤석 교수는 “이번 연구는 안전한 저가 ESS용 전지 기술에 중요한 전환점이 될 것으로 기대한다”고 본 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 탄소중립기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 연세대 정윤석 교수 연구팀의 박주현 연구원(공동 제1저자), 손준표 연구원(공동 제1저자), 성균관대 김종순 교수 연구팀, UNIST 서동화 교수 연구팀 및 한국원자력연구원 김형섭 박사가 함께 진행했으며, 에너지 분야 국제 학술 권위지인 ‘미국화학회 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 9월 7일 온라인 게재됐다.

(논문명: NaAlCl4: New Halide Solid Electrolyte for 3 V Stable Cost-Effective All-Solid-State Na-Ion Batteries)

붙임 1. 연구자 사진 1장.

2. 논문 대표 이미지 1장.

(연구진 사진 설명)

(왼쪽부터) 박주현 제1저자, 손준표 제1저자, 연세대 정윤석 교수

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