고체 나트륨 전지는 리튬 전지에 대한 유망한 대안입니다.

연구진은 영하의 온도에서도 성능을 유지하는 전고체 나트륨 배터리를 개발했습니다. 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스 연구진이 개발한 이 배터리는 리튬 기반 전력 장치를 대체하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

연구진은 또한 나트륨이 저렴하고 풍부하며 해가 덜한 대체 물질이지만, 현재 개발된 전고체 전지는 실온에서 잘 작동하지 않는다고 밝혔습니다.

ucsd-jacobsschool-2407-meng-lab-deysher-grayson-06232-8mp-1380px.jpg — 이 연구는 시카고 대학 프리츠커 분자공학과의 Y. 셜리 멩 교수가 주도했습니다.

엔지니어들은 반안정 상태의 히드리도붕산나트륨을 결정화가 시작될 때까지 가열한 후, 결정 구조를 동역학적으로 안정화하기 위해 급냉시켰습니다. 이는 널리 알려진 기술이지만, 고체 전해질에 적용된 적은 없었습니다.

연구자들은 이러한 익숙함이 이 연구실의 혁신을 미래에 실제 제품으로 만드는 데 도움이 될 수 있다고 말했습니다.

시카고 대학교 프리츠커 분자공학과(UChicago PME-USA)의 Y. 셜리 멩 교수는 "나트륨 대 리튬의 문제가 아닙니다. 둘 다 필요합니다."라고 말했습니다. "미래의 에너지 저장 솔루션을 생각할 때, 우리는 동일한 거대 공장에서 리튬과 나트륨 화학을 모두 기반으로 하는 제품을 생산할 수 있다고 상상해야 합니다. 이 새로운 연구는 그 궁극적인 목표에 한 걸음 더 다가가는 동시에 기초 과학을 발전시키는 데 기여합니다."

연구팀은 또한 나트륨 화학이 흥미롭지만, 나트륨 고체 전해질은 실온에서 제한된 이온 전도도를 보인다고 밝혔습니다.

UC 샌디에이고 연구진은 계산 데이터와 실험 데이터를 결합하여 히드리도보레이트 나트륨의 준안정적 특성을 평가하고, 결정화 상태에서 빠르게 냉각하면 사방정계 상 역학이 빠른 Na+ 이동과 결합된다는 것을 입증했습니다.

고체 나트륨 전지는 환경에 덜 해로운 에너지 솔루션에 대한 희망을 제공합니다.

연구진은 이 초안정 상을 염화물 기반 고체 전해질 코팅 음극과 결합하면 영하 온도에서도 성능을 유지하는 고밀도, 고면적 부하 복합 음극을 만들 수 있다고 밝혔습니다.

"기본 원리는 확산에 유리한 음이온 구조를 동역학적으로 안정화하는 것이므로, 이 접근법은 관련 하이드리도보레이트 및 기타 음이온 클러스터 화학에도 적용될 수 있습니다. 이 연구는 고성능 고체 전해질을 위한 실용적인 설계 전략과 공정 지침을 제공합니다."라고 연구팀은 보고했습니다.

싱가포르 A*STAR 재료 연구 및 공학 연구소의 공동 저자인 샘 오(Sam Oh)는 이 연구를 통해 전기화학적 성능 측면에서 나트륨이 리튬과 더 동등한 경쟁 조건을 갖추게 되었다고 말했습니다.

"우리가 이룬 획기적인 성과는 이전에 보고된 적이 없는 준안정 구조를 실제로 안정화했다는 것입니다. 이 히드리도붕산나트륨의 준안정 구조는 매우 높은 이온 전도도를 가지고 있으며, 문헌에 보고된 이온 전도도보다 최소 한 자릿수 이상, 전구체 자체보다 세 자릿수에서 네 자릿수 더 높습니다."

이 연구는 리튬보다 훨씬 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 원료를 사용할 수 있는 가능성을 제시합니다. 휴대용 디지털 기기의 개발과 더불어 인류는 오랫동안 리튬 채굴 및 정제 과정에서 막대한 환경적 손실을 감수해 왔습니다.