리튬보다 저렴하면서도 강력한 나트륨 배터리가 마침내 따라잡고 있습니다.

과학자들은 리튬 배터리만큼 강력하고 신뢰할 수 있으면서도 훨씬 저렴하고 지속 가능한 나트륨 기반 전고체 배터리를 개발하는 데 큰 진전을 이루었습니다. 출처: Shutterstock

전고체 배터리는 전기 자동차를 구동하고, 전자 제품을 구동하고, 전력망에서 재생 에너지를 저장하는 더욱 안전하고 강력한 방법을 제공합니다. 그러나 핵심 성분인 리튬은 값이 비싸고 희소하며, 채굴 과정에서 심각한 환경 피해를 초래하는 경우가 많습니다.

나트륨은 훨씬 저렴하고 풍부한 대체재이며, 추출 시 유해성이 훨씬 적습니다. 그러나 나트륨 기반 고체 전지는 일반적인 온도에서 리튬의 성능을 따라잡는 데 오랫동안 어려움을 겪어 왔습니다.

"나트륨 대 리튬의 문제가 아닙니다. 둘 다 필요합니다. 미래의 에너지 저장 솔루션을 생각할 때, 동일한 기가팩토리가 리튬과 나트륨 화학을 모두 기반으로 하는 제품을 생산할 수 있다고 상상해야 합니다."라고 시카고대 프리츠커 분자공학과(UChicago PME) 분자공학과 리우 가문 교수인 Y. 셜리 멩은 말했습니다. "이 새로운 연구는 기초 과학을 발전시키는 동시에 궁극적인 목표에 한 걸음 더 다가가게 해 줍니다."

멩 교수 연구팀이 Joule 지에 발표한 새로운 연구는 이 문제 해결에 큰 진전을 이루었습니다. 연구진은 실온에서 영하까지 안정적으로 작동하는 나트륨 기반 고체 전지를 개발하여 이 분야의 새로운 기준을 제시했습니다.

싱가포르 A*STAR 재료 연구 및 공학 연구소의 샘 오(Sam Oh) 제1저자는 멩(Meng)의 에너지 저장 및 변환 연구실을 방문하여 연구를 수행했으며, 이 연구 결과는 나트륨 기술이 전기화학적 성능 면에서 리튬과 경쟁하는 데 한 걸음 더 다가갔다는 것을 보여줍니다.

이 성과는 재료 과학 분야에서 근본적인 발전을 의미합니다.

"우리가 이룬 획기적인 성과는 아직 보고되지 않은 준안정 구조를 실제로 안정화하고 있다는 것입니다."라고 오 박사는 말했다. "이러한 하이드리도붕산나트륨의 준안정 구조는 매우 높은 이온 전도도를 가지고 있는데, 문헌에 보고된 것보다 최소 한 자릿수 이상, 전구체 자체보다 세 자릿수에서 네 자릿수 더 높습니다."

확립된 기술, 새로운 분야

이 구조를 만들기 위해 연구진은 준안정 상태의 히드리도붕산나트륨을 결정화될 때까지 가열한 후 빠르게 냉각시켜 구조를 고정했습니다. 오 교수는 이 방법이 재료 과학의 다른 분야에서는 잘 알려져 있지만, 고체 전해질에는 이전에 사용된 적이 없다고 말했습니다.

이런 실질적인 익숙함 덕분에 실험실 연구에서 산업 생산으로 발견을 전환하기가 더 쉬워질 수 있습니다.

"이 기술이 확립되었기 때문에 향후 확장에 더 유리합니다."라고 오 씨는 말했습니다. "새로운 것을 제안하거나 프로세스를 변경하거나 구축할 필요가 있다면 업계에서는 이를 수용하기 더 꺼릴 것입니다."

이 준안정 상을 염화물 기반 고체 전해질로 코팅된 O3형 양극과 결합하면 두껍고 높은 면적의 부하를 갖는 양극을 만들 수 있으며, 이는 이 새로운 설계를 기존의 나트륨 전지보다 더 뛰어난 것으로 만듭니다. 얇은 양극을 사용하는 설계 전략과 달리, 이 두꺼운 양극은 비활성 물질을 덜 채우고 양극 "고체"를 더 많이 채울 수 있습니다.

오 박사는 "음극이 두꺼울수록 배터리의 이론적 에너지 밀도(특정 영역 내에 저장되는 에너지의 양)가 향상됩니다."라고 말했습니다.

현재 연구는 나트륨을 배터리의 실현 가능한 대안으로 발전시키고 있으며, 이는 리튬의 희소성과 환경적 피해를 극복하는 데 중요한 단계입니다. 이는 앞으로 나아갈 많은 단계 중 하나입니다.

오 박사는 "아직 갈 길이 멀지만, 이번 연구를 통해 우리가 이룬 성과가 이러한 기회를 여는 데 도움이 될 것"이라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251016223116.htm