우리 학교 생명화학공학과 이진우 교수가 이끄는 연구팀이 지난달 28일 포항공과대학교 구종민 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 장수명 소듐 금속 음극 및 고출력 해수 전지를 위한 비불소계 전해질의 개발에 성공했다고 밝혔다.

소듐 금속 음극과 불소계 전해질

 소듐 금속 음극은 기존 리튬 이온 전지에서 사용되는 흑연 음극을 대체할 수 있는 전극으로, 흑연 음극에 비해 이론적 용량이 약 3배가량 높다. 그뿐만 아니라, 리튬의 지각 내 존재비가 0.002%인 것에 비해 소듐의 지각 내 존재비는 약 2%로 자연적으로 풍부하게 분포한다는 점이 주목을 받아 최근 차세대 음극 소재로 각광 받고 있다.
 

 그러나, 소듐 금속 음극은 화학적, 전기화학적 반응성이 굉장히 강해 전지 내의 유기 전해액과 지속적으로 반응하면서 소듐 금속 표면에 불균일하고 두꺼운 고체-전해질 계면(Solid Electrolyte Interphase, SEI)을 형성한다. 이로 인해, 충전 과정에서 소듐 금속에서 수지상 성장*이 일어나 고체-전해질 계면이 파괴되는 과정에서 소듐 금속이 재차 유기 전해액에 노출되어 추가적인 전해질 분해가 일어난다. 이는 전지 구동에 치명적인 낮은 쿨롱 효율, 전지 단락 등의 원인이 될 수 있다.

 이를 방지하기 위한 방법으로 불소계 전해질을 사용하여, 소듐 금속 표면에 강한 기계적 성질을 가지므로 소듐 금속의 수지상 성장을 물리적으로 억제할 수 있는 불화 소듐(NaF)을 형성하는 방식이 일반적으로 사용된다. 그러나, 불소계 전해질을 사용하여 불화 소듐을 형성하는 방식은 불소계 전해질의 높은 가격으로 인해 경제성이 떨어진다. 또한, 부산물로 부식성이 강한 불산(HF)이 형성되어 고체-전해질 계면이 붕괴 및 소듐 금속의 추가적 부반응을 초래할 뿐만 아니라 전반적인 전지의 구성 요소들을 부식시켜 전지의 성능을 열화시킬 우려가 있다는 점이 지적되었다.

비불소계 전해질을 개발하다

 연구진은 불소계 전해질의 불화 소듐 형성 과정에서 같이 생성되는 수소화 소듐(NaH)이 불화 소듐과 별개로 안정성이 높은 SEI 층의 형성에 참여한다는 최근 연구 보고에서 착안하여 수소화붕소 소듐(NaBH4) 염을 에테르 계열의 유기용매에 녹인 전해질을 설계했다. 설계한 전해질을 이용하면, 수소화붕소 소듐이 소듐 금속 표면의 산화막을 강제로 환원시키면서 소듐 메타보레이트(NaBO2), 수소화 소듐(NaH) 및 수소 기체를 생성한다. 이때, 소듐 금속 표면 산화막의 환원 과정에서 생성된 수소 기체는 표면 산화막이 환원되어 노출된 소듐 금속과 다시 반응하여 수소화 소듐을 생성하는 ‘고체-전해질 계면 재건 현상’을 보인다. 이는 기존 불소계 전해질에서 나타나던, 고체-전해질 계면 붕괴 현상으로 인해 전지 성능이 점차 열화되는 현상을 방지할 수 있어 전지의 수명 및 효율을 높일 수 있다.   

연구의 활용 가능성

 비불소계 전해질은 기존의 불소계 전해질 전지에 비해 소듐-소듐 대칭 전지 및 해수 전지의 적용에서 굉장히 높은 쿨롱 효율을 가질 뿐만 아니라 해수 전지에 적용했을 때 약 4배가량 긴 수명 특성을 보인다. 연구팀은 이를 해수 전지를 상용화하는 과정에 적용하면 비용을 절감하고 수명 특성을 향상시킬 수 있어 큰 도움이 될 것이라 밝혔다.

연구의 시작점

 이번 연구에 제1 저자로 참여한  김진욱 생명화학공학과 박사과정은 본 연구의 시작 배경에 대해 “소듐 금속 음극의 수명 특성에 수소화 소듐(NaH)의 형성이 기여하는 바가 있으리라는 의견을 시작으로 기존의 전해질들이 가지는 단점을 극복하려는 생각이 원동력이었다.”고 밝히며, 우리 학교 학생들에게 “힘든 학교 생활일 수 있지만, 다들 힘을 내어 행복한 학교 생활을 즐길 수 있길 바란다.”고 전했다.

수지상 성장*
금속의 결정에서 나뭇가지 형태의 구조인 덴드라이트가 형성되는 과정