화재 위험 낮추고 비용 줄인다…KIST, '나트륨 전고체전지' 개발[과학을읽다]

4.5V 고전압 구동 구현…ESS 안전성·원가 안정성 동시 개선

리튬이온전지 기반 에너지저장장치(ESS)의 반복되는 화재 사고와 원가 부담 문제를 동시에 개선할 수 있는 '나트륨 전고체 전지' 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

류승호 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 박사 연구팀은 불연성 고체전해질을 적용해 화재 안전성을 획기적으로 높인 나트륨 기반 전고체 전지 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

고전압에서도 안정적인 나트륨 전고체전지 구현. 고체전해질을 적용한 나트륨 전고체전지는 전극-전해질 계면이 안정돼 고전압에서도 안정적인 충·방전을 유지하며, 방전 용량과 에너지 밀도가 향상된다. 연구팀 제공

리튬이온전지는 높은 에너지 밀도로 전기차와 ESS 등에 널리 쓰이고 있지만, 액체전해질 특성상 화재 위험이 존재한다. 특히 대형 ESS 설비에서는 화재 사고가 반복되며 안전성과 운영 비용 문제가 사회적 과제로 부상해 왔다.

연구팀은 가연성 액체전해질 대신 불이 붙지 않는 고체전해질을 적용하고, 가격이 저렴하고 자원이 풍부한 나트륨을 활용해 안전성과 경제성을 동시에 확보했다. 나트륨은 특정 국가에 편중되지 않은 자원으로 공급 안정성과 원가 변동성 측면에서도 장점을 갖는다.

4V 한계 넘어 4.5V 구동…에너지밀도 향상

연구팀은 나트륨 전고체 전지의 상용화를 가로막던 '에너지밀도 한계'도 함께 개선했다. 기존 리튬이온전지는 약 4.2V 이상에서 전해질 분해와 수명 저하 문제가 발생하는 반면, 연구진은 고체전해질에 불소(F)를 도입해 고전압 환경에서도 구조 안정성을 유지하도록 설계했다.

그 결과, 기존 나트륨 전고체 전지가 넘기 어려웠던 4V 수준을 넘어 4.5V까지 안정적으로 구동되는 것을 입증했다. 이는 동일한 크기의 배터리에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있음을 의미하며, 고전압에서도 반복 충·방전이 가능한 수준의 내구성을 확보했다는 점에서 의미가 크다.

고전압에서 안정적인 나트륨 전고체전지. 고전압에서 나트륨이온전지는 액체 전해질 분해로 계면 열화와 가스 발생이 나타나지만, 나트륨 전고체전지는 안정적인 계면을 유지해 고전압에서도 안정적으로 작동한다. 연구팀 제공

이번 기술은 실험 단계에 머물던 나트륨 전고체 전지를 대규모 ESS 적용 가능 수준으로 끌어올렸다는 평가다. 발전소, 산업단지 등 화재 우려로 설치가 제한됐던 환경에서도 보다 안전하게 적용할 수 있어 재생에너지 확대에 따른 전력 저장 수요 대응에 기여할 것으로 기대된다.

류승호 박사는 "고전압 환경에서도 안정적으로 작동하는 나트륨 전고체 전지를 구현했다는 점에서 의미가 있다"며 "저가격·고안전 특성을 갖춘 나트륨 전고체 전지가 대규모 에너지 저장장치의 새로운 대안으로 이어지길 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 수행됐으며, 성과는 국제 학술지 'ACS Energy Letters'(IF 18.9)에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr