Designing electrode materials for Li and Na batteries - incorporating inorganic and organic materials

Abstract

이차전지는 이온화 경향의 차이가 큰 두 전극의 전해질을 통한 가역적 산화 환원반응에 따른 전자의 이동 현상을 이용하는 에너지 저장장치이다. 여러 이차전지 가운데 에너지 밀도가 가장 우수한 리튬이온전지는 탄소계 음극, 유기 전해질 그리고 리튬산화물 양극으로 구성되어 있다. 리튬이온전지는 화학반응을 이용하여 충전시에는 양극재료에서 리튬이온이 빠져 나와서 전해질을 통하여 층상구조를 이루는 탄소계 음극으로 이동하고, 방전 과정은 충전 과정의 역반응으로 진행된다. 즉 리튬이온이 양극과 음극을 오고 가는 원리를 이용하여 충방전을 여러 번 할 수 있는 대표적인 이차전지 기술이다. 세계적으로 지구온난화와 기후변동성으로 인한 친환경적인 에너지 저장장치의 중요성이 주목받으면서, 대용량 이차전지 개발이 중요한 이슈로 부각되고 있다. 특히 전기자동차나 전력 저장용 스마트 그리드의 원활하고 효율적인 사용을 위해서는 기존의 리튬이온전지보다 높은 출력밀도 및 장기 수명 신뢰성, 개선된 안정성, 그리고 전극 재료의 친환경적인 측면과 지속가능성이 요구된다. 하지만 현재 사용하고 있는 리튬이차전지는 화재 및 폭발 위험, 리튬 자원의 한정성과 편재성으로 인해 대형화에 제약이 따르고 친환경적, 경제적 그리고 높은 안정성을 만족하는 새로운 이차전지 기술이 요구되고 있다. 나트륨 이온 이차전지는 원료의 풍부함과 낮은 가격이라는 장점을 바탕으로 대용량 에너지 저장 장치에 응용하기 위해 최근에 국내외적으로 활발하게 연구가 이루어지고 있다. 나트륨은 리튬을 대체할 자원으로 제안되고 있는 대표적인 1가 금속으로 지구상에서 여섯번째로 풍부한 원소이다. 나트륨 이온의 삽입/탈리에 관한 반응 메커니즘이 리튬과 유사한 가능성 있는 재료가 개발된다면, 현재의 리튬이온전지 공정을 대부분 그대로 적용 할 수 있어 이차전지의 개발이 타 전지 시스템에 비해 용이할 것으로 보인다. 한편 상대적으로 빠른 출력 특성 및 높은 안전성과 풍부한 자원 활용 가능성을 가진 수용액 전해질 이차전지가 대형 에너지 저장장치의 해결책 중 하나로 제안되고 있다. 수용액 전해질 이차전지는 전해질이 유기용매와는 달리 가연성 물질을 포함하고 있지 않기 때문에 전지 구동 과정에서 발생하는 열이 연소할 없는 안전한 전지 제작기술 확보가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 수용액 전해질은 유계 전해질에 용매에 염의 용해도가 높고 점도가 낮아 50-100배 정도 높은 이온 전도도를 갖는 장점이 있다. 반면에 수용액 전해질의 단점은 물이 가지고 있는 열역학적으로 안정한 전압 (1.2 V) 의 한계가 있어서 전해질 분해가 일어나지 않는 안정 구간 안에서 활성을 보이는 전극 물질이 부족하다는 점이다. 또한 기존 유기 용매 전해질와 전극 사이의 계면에 대한 보고가 충분히 이루어지는데 반해 수계 용매와 전극 사이의 계면에 대한 보고가 충분치 않다. 나트륨 이온전지, 그중에서도 수용액 전해질을 사용하는 나트륨 이차전지에 대한 연구는 갈수록 비중이 높아지는 친환경성, 안정성, 그리고 경제성 면에서 큰 장점이 있다. 현재까지 수용액 기반 알칼리 이온 이차전지에 대한 연구는 이미 리튬이온전지에서 사용된 전극 재료를 위주로 수용액 기반에서만 측정되었을 뿐 어떠한 근본적인 해결 방법이 제시되지 않았으며, 발표된 용량과 수명 특성이 기존 유기용매 전해질 기반에 비해 떨어진다. 따라서 본 논문에서는 기존에 이차전지에서는 사용되지 않았던 새로운 전극 재료 및 합성 방법을 이용하여 나트륨 수용액 이차전지의 특성을 향상하고자 하였다...