나트륨이온전지의 기본원리 및 구성

나트륨이온전지의 기본원리 및 구성

1. 개요 나트륨 이온 배터리

리튬이온전지는 높은 에너지 및 전력밀도, 긴 수명, 친환경성, 메모리 효과 부족 등의 장점으로 인해 다양한 에너지 저장 시스템에 널리 사용되고 있다. 1991년 리튬이온 배터리의 성공적인 상용화 이후, 리튬이온 배터리는 가전제품 산업, 신에너지 차량, 대규모 에너지 저장 등 많은 중요한 분야에서 중요하고 대체할 수 없는 선도적인 역할을 담당해 왔습니다. 리튬이온 배터리의 기술과 프로세스는 성숙해졌고, 리튬이온 배터리는 다양한 분야에서 고유한 장점을 갖고 있으며, 리튬이온 배터리의 낮은 안전성, 낮은 수명, 낮은 온도 저항 및 높은 비용은 무시할 수 없습니다. 따라서 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 높은 안전성, 고신뢰성, 내한성, 내열성을 갖춘 저가형 배터리 개발이 시급하다. 이에 비해 나트륨 자원은 지각에서 6번째로 풍부한 원소(약 1억 5천만 톤, 지각 전체 원소의 2.74% 차지)이며, 천일염의 주성분인 나트륨은 전 세계에 널리 분포되어 있다. 넓고 균일한 분포, 손쉬운 획득 및 정화 등의 장점을 지닌 해양. 또한, 나트륨은 리튬과 같은 제1주족 원소로, 이온반경, 원자질량 등 물리화학적 성질이 리튬과 유사하다(표 1-1). 금속성 나트륨은 상대적으로 높은 이론적 비용량(1166mAhgl)과 -2.71V(표준 수소 전극 대비)의 전기화학적 전위를 갖습니다. 요약하면, 나트륨이온전지는 현재의 리튬이온전지를 대체할 것으로 예상되며, 효율적인 나트륨이온전지의 개발과 연구는 중요한 전략적 의미와 상업적 응용가치를 갖는다.

2. 나트륨이온전지의 기본원리 및 구성

1) 작업 모드
배터리가 충전되면 나트륨 이온이 양극 물질에서 전해질로 방출되고 전해질의 유리 나트륨 이온이 음극 물질에 내장됩니다. 외부 회로에서 전자는 양극에서 음극으로 이동합니다. 배터리가 방전되면 나트륨 이온이 음극에서 방출되어 양극 물질에 다시 매립됩니다. 외부 회로 전자는 전위장 아래에서 음극에서 양극으로 흐릅니다.

2) 구성
양극
나트륨 이온 배터리의 중요한 구성 요소인 양극재는 충전 및 방전의 첫 번째 주기에서 나트륨 이온을 제공합니다. 또한, 양극재의 구조적 안정성은 나트륨이온전지의 사이클 안정성과 크게 관련이 있다. 이상적인 양극 소재에서는 나트륨 이온의 추출 및 삽입으로 인한 부피 수축 및 팽창이 결정 구조의 왜곡 및 손상을 무시할 수 있으며 전기화학적 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 일반적으로 팔면체 구조의 유기 고분자 물질과 2차원 구조의 층상 산화물 물질은 나트륨 이온을 팔면체로 효과적으로 결합할 수 있어 나트륨 이온을 저장하는 데 이상적인 양극 물질입니다.
리튬과 나트륨의 결합에너지는 다릅니다. 동일한 구조에서 나트륨 이온의 매립 전압은 리튬 이온(0.18-0.57V)에 비해 상당히 낮습니다. 리튬 이온과 비교하여 나트륨 이온은 질량과 크기가 더 크며 이는 확산 속도도 현저히 낮다는 것을 나타냅니다. 전극 재료 내 나트륨 이온의 확산 속도를 높이기 위해서는 전극 재료 크기를 나노화하는 것이 효과적인 방법입니다.

음극
전체 배터리에서 음극 소재는 배터리 용량, 속도, 사이클 안정성 및 기타 성능에 똑같이 중요합니다. 나트륨 금속 양극의 이론 비용량(1166mAhg-1)은 리튬 금속 양극의 이론 비용량보다 낮고 환원 전위는 더 높습니다. 금속성 나트륨은 유기 전해질에서 반응하고 분해되어 나트륨 수상돌기가 형성될 가능성이 더 높습니다. 뿐만 아니라, 나트륨 금속의 녹는점(98°C)이 낮기 때문에 충방전 과정에서 나트륨 금속이 녹아 확산되기 쉬워 배터리의 건강을 위협합니다. 따라서 나트륨 금속 배터리의 적용 전망은 희박합니다. 그러나 삽입 및 분리를 위한 이온 소스로 나트륨 이온을 사용하면 양극 및 음극 재료를 "흔들 의자" 방식으로 삽입 및 분리하여 배터리의 충전 및 방전과 재활용을 실현할 수 있습니다. 나트륨 이온을 얻을 수 있습니다. 이러한 설계는 낮은 나트륨 이온 활성과 관련된 위험을 방지합니다. 불행하게도 배터리 소재의 다른 구성 요소와 완벽하게 결합하여 완전한 배터리를 형성하는 것은 어렵습니다. 따라서 대부분의 연구에서는 새로운 전극 물질과 금속 나트륨 반전지의 전기화학적 특성에 대해서만 연구해 왔습니다.