| 저비용, 고성능 나트륨이온전지 제조 새 기술 개발 | ||
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  2020년 11월 6일, 중국과학원 물리연구소 HU Yong-sheng(胡勇勝) 연구팀은 네덜란드 Technische Universiteit Delft(TU Delft), 프랑스 Université de Bordeaux 등의 연구팀과 공동으로 나트륨이온 층상 산화물 구조를 예측하는 간단한 방법을 제안함과 아울러 실험적으로 해당 방법의 유효성을 검증함으로써 저비용, 고성능 나트륨이온 층상 산화물 양극재 설계 제조에 이론적 지침을 제공했다. 해당 성과는 "Science"에 게재됐다. 이는 "Science"에서 최근 100년간 나트륨이온전지 분야 관련 성과를 게재한 첫 사례이다. 화학전지 시장의 쾌속 발전 및 환경문제에 대한 관심이 높아지면서 전기에너지와 화학에너지의 전환을 달성할 수 있는 신형 에너지저장 기술 기반의 2차전지(일명 충전지 또는 축전지)가 광범위한 관심사로 떠오르고 있다. 그 중에서 리튬이온전지는 전기화학적 에너지저장 시장의 80%를 차지하지만 리튬 자원의 부족 및 높은 비용으로 인해 산업화 발전을 크게 제한한다. 따라서 자원 매장량이 풍부하고 비용이 저렴한 나트륨이온전지가 각광받고 있다. 하지만 나트륨이온전지 성능은 전극 재료의 제한 특히 층상 산화물 재료 기반 양극재의 제한을 받는다. 1980년 후, 적층구조가 O형(Octahedral)인 리튬이온 층상 산화물(LiMO2)을 리튬이온전지의 주요 양극재로 사용하고 있다. 하지만 나트륨이온 층상 산화물(NaxMO2)은 O형과 P형(Prismatic) 2종 구조를 보유하며 그 중에서 가장 일반적인 2종 구조는 O3과 P2(숫자는 산소 최소 중복 유닛의 적층수를 대표)이다. 해당 2종 구조의 층상 산화물을 나트륨이온전지의 양극재로 이용할 경우 각자의 장점이 있지만 현재의 기술적 수단으로 합성하여 얻은 재료의 물리적 특징 분석을 통해 구체적인 구조만 확정할 수 있을 뿐이고 재료의 적층구조를 직접 예측할 수 없기에 층상 산화물 양극재의 성능 설계 및 신형 양극재 발견을 심각하게 제한한다. 일반적으로 O3 위상 양극재는 비교적 높은 초기 Na 함량을 보유하기에 더욱 많은 나트륨이온을 탈리할 수 있고 비교적 높은 용량을 보유하므로 저속 전기자동차, 대규모 에너지저장 분야에 적합하다. P2 위상 양극재는 비교적 큰 Na층 간격을 보유하기에 나트륨 이온의 전달 속도 및 층상구조 완전성을 향상시킬 수 있어 우수한 배율 성능 및 순환 성능을 보유한다. 따라서 충전기, 주파수 변조, 데이터센터 등 쾌속 충전 분야의 응용에 적합하다. 실제 산업화 제품 개발에서 사전에 재료 구조를 설계할 경우 최적 구조의 나트륨이온전지 화학적 시스템을 정밀하게 설계 및 구축할 수 있어 개발 효율을 대폭 향상시킬 수 있다. 2016년, 중국과학원 물리연구소 QI Xing-guo(戚興國) 박사는 등가 반지름(등가 반지름 즉 가중 반지름=전이금속 반지름×해당 전이금속 함량) 개념을 도입하여 적층구조를 예측함으로써 해당 프로젝트 연구에 아이디어를 제공했다. 연구팀은 다양한 계열 층상 산화물의 구조 파라마터를 연구하는 과정에서 O3과 P2 2종 구조 재료의 Na층 간격(d(O-Na-O))과 M층 간격(d(O-M-O))의 비율은 1.62의 임계값을 보유함을 발견했다. 비율이 1.62보다 높을 경우 일반적으로 P2 위상이 형성되고 비율이 1.62보다 낮을 경우 쉽게 O3 위상이 형성된다. 따라서 나트륨 함량 증가를 통해 O3 위상을 획득할 수 있고 반대로 나트륨 함량 감소를 통해 P2 위상을 획득할 수 있다. 이를 토대로 연구팀은 "양이온 퍼텐셜"을 도입하여 양이온 전자밀도 및 분극률 수준을 표시하고 층상 재료의 핵심 상호작용을 포착함으로써 적층구조 예측이 가능해졌다. 연구팀은 개질된 층상 전극 재료의 합리적인 설계 및 제조를 통해 적층구조가 재료의 특성을 결정함을 입증함으로써 알칼리금속 층상 산화물의 설계에 효과적인 해결 방법을 제공했다. 동 연구는 나트륨이온 층상 산화물 중의 O3형 구조와 P2형 구조 사이의 경쟁 관계를 규명함과 아울러 나트륨이온전지 제조 과정을 최적화함으로써 나트륨이온전지 시스템의 에너지저장 특성 심층적 향상에 정확한 지침을 제공했다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/11/448482.shtm |
- 첨부파일 20201116_NIB.docx