나트륨 전고체전지로 배터리 화재 위험과 비용 부담 줄인다
- 자원이 풍부한 나트륨 기반 전고체전지로 화재 위험과 비용 부담 동시 개선
- 리튬이온전지의 한계를 넘어 차세대 에너지 저장 해법 제시
리튬이온전지는 에너지저장장치로 널리 활용되고 있으나, 태양광·풍력 발전소나 대형 건물에 설치된 에너지저장장치(ESS)에서 반복되는 화재 사고로 큰 손실이 급증하고 있다. 특히, 대규모 설비일수록 안전성 확보와 운영 비용 부담이 중요한 사회적 과제로 떠오르고 있다. 이러한 문제를 해결할 대안으로 가격이 저렴하고 자원이 풍부한 나트륨 기반 배터리 기술이 주목받고 있다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 에너지저장연구센터 류승호 박사 연구팀은 불이 붙지 않는 불연성 고체전해질을 적용해 화재 안전성을 획기적으로 개선하는 나트륨 전고체전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 기술은 자원이 풍부하고 가격 변동성이 낮은 나트륨을 기반으로 기존 배터리의 화재 위험과 비용 부담 문제를 함께 개선할 수 있는 대안으로 평가된다.
[그림 1] 고전압에서도 안정적인 나트륨 전고체전지 구현
고전압에서 충방전 거동 시 나트륨 전고체전지과 나트륨 이온전지의 성능 차이를 보여준다. 고체전해질을 사용한 전고체전지는 전극과 전해질 사이에서 안정적인 계면이 형성되어 충·방전 시 안정적인 사이클을 유지하고 방전 용량이 향상된다. 또한 더 높은 전압까지 안전하게 작동가능하여 고에너지 밀도를 달성할 수 있다.
연구팀은 또한 나트륨 전고체전지의 에너지밀도 향상을 위한 고전압화 기술을 개발했다. 현재 널리 사용되는 리튬이온전지는 액체전해질의 특성상 약 4.2V 이상에서는 안전성과 수명 저하 문제가 발생하고 있다. 이에 결합력이 강한 불소(F)를 고체전해질에 적용해 고전압 환경에서도 전해질이 안정적으로 유지되도록 설계했다. 그 결과, 연구진은 기존 나트륨 전고체전지가 넘기 어려웠던 4V 수준을 넘어 4.5V까지 안정적으로 구동되는 것을 입증했다.
[그림 2] 고전압에서 안정적인 나트륨 전고체전지
나트륨이온전지와 나트륨전고체전지의 고전압에서의 양극과 전해질 사이의 계면 반응을 보여주는 그림이다. 나트륨이온전지는 고전압으로 작동할 경우 액체 전해질이 분해되면서 전극 표면이 손상되어 CO2 가스가 형성되며 계면 열화가 진행된다. 반면 나트륨 전고체전지는 고체전해질과 양극 사이의 계면이 안정적으로 형성되어 나트륨 이온이 균일하게 이동하며 고전압에서도 안정적인 작동이 가능하다.
이번 기술은 고전압에서 배터리 성능을 높이면서도 이를 반복적으로 사용할 수 있게 했다는 점에서 의미가 크다. 액체전해질 기반 배터리에서 발생하던 분해와 수명 저하 문제를 줄여 장기적으로 사용이 가능하게 했으며 같은 크기의 배터리로 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 기반을 마련했다. 이는 나트륨 전고체전지가 실험 단계를 넘어 실제 활용을 고려할 수 있는 수준으로 발전했음을 보여준다.
이번에 개발된 나트륨 전고체전지는 불이 나지 않는 구조와 저렴한 나트륨 소재를 바탕으로 대규모 에너지저장시스템(ESS)에 적용 가능한 실용성을 갖췄다. 화재 우려로 설치가 제한됐던 발전소, 산업단지에도 안전하게 도입할 수 있어 재생에너지 확대에 따른 전력 저장과 공급 안정에 기여할 것으로 기대된다. 특히, 나트륨은 지구상에 풍부하고 특정 국가에 편중되지 않은 자원으로 장기적인 원가 안정성과 공급 안정성 측면에서도 강점을 지닌다.
KIST 류승호 박사는 “이번 연구는 고전압 환경에서도 안정적으로 작동하는 나트륨 전고체전지를 구현했다는 점에서 의미가 있다”라며, “저가격·고안전 특성을 갖춘 나트륨 전고체전지가 대규모 에너지 저장 장치의 새로운 대안으로 이어지길 기대한다”라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 배경훈)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 한계돌파형 4대 차세대이차전지 핵심원천기술개발사업(RS-2024-00404414), 원천기술 국제협력개발사업(RS-2024-00427700), 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업(GTL24012-000) 등을 통해 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 18.9, JCR 분야 4.1%)에 게재됐다.