상온 나트륨이온전지의 부활
지각에 풍부한 나트륨(Na) 매장량과 나트륨과 리튬의 유사한 물리화학적 특성으로 인해 나트륨 기반 전기화학 에너지 저장 장치는 대규모 에너지 저장 및 그리드 개발에 상당한 가능성을 가지고 있습니다. 예를 들어, Na/NiCl2 시스템을 기반으로 한 고온 무공해 배터리 연구 활동 셀과 고정식 및 모바일 응용 분야의 성공적인 상용 사례인 고온 Na-S 셀은 이미 나트륨 기반 재충전 가능 배터리의 잠재력을 입증했습니다. 그러나 약 300°C에 달하는 높은 작동 온도는 보안 문제를 야기하고 나트륨 이온 배터리(SIB)의 왕복 효율을 감소시킵니다. 따라서 실온(RT) SIB는 LIB에 대한 가장 유망한 대체 기술로 널리 간주됩니다.
지난 200년 배터리의 역사 속에서 SIB에 대한 연구는 LIB 개발과 병행하여 활발히 진행되어 왔습니다. 리튬에 대한 TiS2의 전기화학적 활성과 에너지 저장에 대한 타당성은 1970년대에 처음으로 제시되었습니다. 이 발견에 이어 TiS+2에 Na 이온을 삽입하는 능력이 1980년대 초에 실현되었습니다. LIB용 저비용 및 중간 용량 양극 재료로 흑연이 발견되고 나트륨 이온을 삽입하지 못하면서 1990년대에 급속한 LIB 개발이 이루어졌으며 나트륨 화학의 성장을 대체했습니다. 그러다가 2000년에 흑연의 Li와 유사한 에너지 용량을 제공하는 하드 카본(HC)의 나트륨 저장이 가능해지면서 SIB에 대한 연구 관심이 다시 활성화되었습니다.
나트륨이온 배터리와 리튬이온 배터리 비교
SIB의 부활은 리튬 매장량 부족과 이에 따른 비용 상승으로 인해 점점 더 커지는 압력과 결합되어 LIB에 보완적인 전략을 제공합니다. SIB는 증가하는 재생 에너지 기술의 보급을 충족시키기 위해 재료 과학의 근본적인 성과와 결합하여 점점 더 많은 연구 관심을 받고 있습니다. SIB의 셀 구성 요소와 전기화학적 반응 메커니즘은 전하 캐리어(하나는 Na이고 다른 하나는 Li)를 제외하고는 기본적으로 LIB와 동일합니다. SIB 재료 화학이 급속히 확장되는 주요 이유는 두 알칼리 금속 간의 물리화학적 특성이 유사하기 때문입니다.
첫째, SIB의 작동 원리와 셀 구성은 Na가 전하 캐리어 역할을 하지만 상업용 LIB의 작동 원리와 셀 구성과 유사합니다. 일반적인 SIB에는 4가지 주요 구성 요소가 존재합니다: 음극 물질(보통 Na 함유 화합물); 애노드 재료(Na를 반드시 함유할 필요는 없음); 전해질(액체 또는 고체 상태); 그리고 분리기. 충전 과정에서 나트륨 이온은 일반적으로 층상 금속 산화물 및 다가음이온 화합물인 음극에서 추출된 다음 양극에 삽입되며, 전류는 외부 회로를 통해 반대 방향으로 이동합니다. 방전할 때 Na는 "흔들의자 원리"라고 불리는 과정을 통해 양극을 떠나 음극으로 돌아갑니다. 이러한 유사성은 SIB 기술에 대한 사전 이해와 빠른 성장을 가능하게 했습니다.
더욱이, Na의 더 큰 이온 반경은 전기화학적 양성의 유연성을 증가시키고 극성 용매에서 탈용매화 에너지를 감소시키는 고유한 이점을 제공합니다. Li와 전이 금속 이온 사이의 이온 반경의 간격이 클수록 일반적으로 재료 설계의 유연성이 실패하게 됩니다. 대조적으로, 나트륨 기반 시스템은 리튬 기반 시스템보다 더 유연한 고체 구조를 가능하게 하며 엄청난 이온 전도도를 보유합니다. 전형적인 예는 β-Al2O3이며, Na 삽입은 완벽한 크기와 높은 전도성을 갖습니다. 다양한 M+x+ 적층 방식을 갖는 더 많은 층의 전이 금속 산화물은 나트륨 기반 시스템에서 쉽게 실현될 수 있습니다. 마찬가지로 나트륨 이온 전도체(NaSICON) 제품군으로 알려진 다양한 결정 구조는 리튬 유사체의 결정 구조보다 훨씬 더 복잡합니다. 더 중요한 것은 NaSICON 화합물에서 훨씬 더 높은 이온 전도성이 허용될 수 있다는 점이며, 이는 리튬 이온 전도체(LiSICON) 화합물의 이온 전도성을 훨씬 초과합니다.
마지막으로, 다양한 비양성자성 극성 용매를 사용한 체계적인 조사에 따르면 Na의 이온 반경이 클수록 탈용매화 에너지가 약해지는 것으로 나타났습니다. 더 작은 Li는 동일한 원자가를 가질 때 Na보다 코어 주변의 표면 전하 밀도가 더 높습니다. 따라서 Li는 극성 용매 분자와 더 많은 전자를 공유함으로써 열역학적으로 안정화됩니다. 즉, Li는 루이스산의 일종으로 분류될 수 있다. 결과적으로, 극성이 높은 Li에는 상대적으로 높은 탈용매화 에너지가 필요하며, Li가 액체 상태(전해질)에서 고체 상태(전극)로 이동함에 따라 상대적으로 큰 전달 저항이 유발됩니다. 탈용매화 에너지는 액체/고체 계면에서 발생하는 전달 역학과 밀접하게 관련되어 있으므로 상대적으로 낮은 탈용매화 에너지는 고출력 SIB를 설계하는 데 중요한 이점입니다.
