초고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현한 차세대 나트륨 금속 배터리 기술이 개발됐다.
중국 동남대학 연구팀이 하이나 배터리, 양저우대학과 공동으로 나트륨 금속 배터리의 상용화를 앞당길 새로운 준고체 전해질을 개발했다고 2일(현지시간) 밝혔다.
나트륨 배터리는 저렴하고 풍부한 나트륨을 사용해 리튬 이온 배터리의 대안으로 주목받지만, 느린 충전 속도와 짧은 수명이 한계로 지적돼왔다. 특히 충전 시 음극 표면에 나트륨이 나뭇가지처럼 뾰족하게 돋아나는 '덴드라이트' 현상으로 성능 저하와 안전성 문제가 발생했다.
연구팀은 '이중 잠금 매개체'라는 새로운 공학 전략을 통해 이 문제를 해결했다. 두 가지 서로 다른 매개체를 전해질에 적용해 이온의 움직임과 전극 계면을 동시에 제어하는 방식이다.
첫 번째 매개체(주석 함유 염)는 전해질 내부에서 견고한 네트워크를 형성하고, 음극 표면에 합금층을 만들어 덴드라이트 형성을 억제한다. 두 번째 매개체는 나트륨 이온이 더 자유롭게 이동하도록 돕고, 양극 표면에 얇고 튼튼한 보호막을 생성한다.
이 기술이 적용된 준고체 전해질은 나트륨 이온 운반율을 0.94까지 끌어올리면서도 높은 이온 전도도를 유지했다. 이는 거의 나트륨 이온만이 이동해 에너지 효율을 극대화했다는 의미다.
이를 기반으로 제작된 배터리는 15C(4분 만에 완전 충전)의 초고속 충전이 가능했으며, 3C 속도로 2000회 충·방전 후에도 초기 용량의 90%를 유지하는 긴 수명을 보였다. 덴드라이트 없이 6000시간 동안 안정적으로 작동하는 기록도 세웠다.
연구팀은 상용화 가능성을 입증하기 위해 스마트폰을 구동할 수 있는 4x5cm 크기의 파우치 셀도 제작했다. 이 파우치 셀은 완전히 접은 상태에서도 정상적으로 작동해 뛰어난 유연성과 기계적 내구성을 증명했다.
연구팀은 "이번에 개발된 기술은 나트륨 배터리뿐 아니라 리튬, 칼륨 금속 배터리에도 적용할 수 있다"며 "저비용, 고안전성, 초고속 충전이 가능한 에너지 저장 장치의 상용화를 앞당길 것"이라고 밝혔다.