나노기술 및 정책 정보

• 목록

실온 나트륨 금속 전지(예를 들면 Na-S, Na-Se 전지 등)는 전기화학 에너지 저장 연구에서 나타난 새로운 연구 분야에 속하며, 나트륨 이온 전지(SIB s)는 지난 10년 간 폭넓은 관심을 받아온 상황이지만 실온 나트륨 금속 전지에 대한 관심은 주로 최근 몇 년 사이에 집중됨.

최근 중국 스촨(四川, 사천) 대학교 류워이(劉慰, 유위) 연구원 연구팀은 호주 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스 David Mitlin 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 리튬을 이용한 SnS-그래핀 교체 나노 층 활성화를 통해 얇은 나트륨 음극의 무(無) 덴드라이트(Dendrite) 순환을 실현하는데 성공함.

나트륨 금속 전지의 음극은 전기화학 불안정성 때문에 표면에 Na 베이스 고체 전해질 중간 위상(SEI)을 형성하는 동시에 나무 형태의 덴드라이트(Dendrite)를 형성하게 됨.

연구팀은 리튬 이온 활성화 황화주석(tin sulfide)-그래핀 나노 복합 멤브레인(A-SnS-G)을 인공 SEI 층으로 사용하여 두께가 100µm에 달하는 금속 Na 포일(foil)의 안정적인 순환을 실현하였으며, A-SnS-G를 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 분리 막 상에 설치한 후 Na 금속 표면에서 원 위치 이동을 실현함.

A-SnS-G에 의해 보호되는 대칭 금속 배터리는 표준 탄산 에스테르 전해질 속에서 낮은 과전압(Overpotential)을 실현하며, 4mA cm-2 하에서 500회 순환한 후 1000mAh cm-2에 달하는 면(面) 용량을 유지할 수 있는 것으로 나타났지만, 활성화 되지 못한 SnS-G 멤브레인의 보호 역할은 나트륨 금속 전지의 순환성을 뚜렷이 감소시키는 것으로 나타남.

관련 분석 결과, SnS-G 멤브레인 보호를 받지 않는 샘플은 팽창이 발생하고, 나트륨의 덴드라이트(Dendrite)를 성장시키지만 이런 현상은 모두 A-SnS-G에 의해 모두 억제될 수 있는 것으로 나타남.

동시에 300회 순환을 거친 후 A-SnS-G 속에서 Li에 기반한 SEI 성분(ROCO2-Li, Li2CO3와 LiF)을 검출해 낼 수 있는 것으로 나타남.

연구팀은 관련 실험을 통해 높은 로드 량(6mg cm-2)을 보유하고 있는 NVP 양극의 SMB와 A-SnS-G 보호를 받는 음극 배합은 더욱 이상적인 장 순환 성능을 제공할 수 있으며, 0.4 C 하에서 400회 순환 후에도 74mAh g-1 수준을 유지할 수 있다는 점을 입증하였음.

본 연구 성과는 Energy & Environmental Science ("Lithium-Activated SnS-Graphene Alternating Nanolayers Enable Dendrite-Free Cycling of Thin Sodium Metal Anodes in Carbonate Electrolyte")에 게재됨.