[논문]나트륨을 활용한 이차전지 연구동향

유철휘; 강성구; 김진배; 황갑진

doi:10.7316/khnes.2015.26.1.054

나트륨을 활용한 이차전지 연구동향
Research Review of Sodium and Sodium Ion Battery 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.26 no.1, 2015년, pp.54 - 63

유철휘 (호서대학교 일반대학원 그린에너지공학과) , 강성구 (호서대학교 화학공학과) , 김진배 (호서대학교 화학공학과) , 황갑진 (호서대학교 일반대학원 그린에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The secondary battery using sodium is investigating as one of power storage system and power in electric vehicles. The secondary battery using sodium as a sodium battery and sodium ion battery had merits such as a abundant resources, high energy density and safety. Sodium battery (sodium molten salt battery) is operated at lower temperature ($100^{\circ}C$) compared to NAS and ZEBRA battery ($300{\sim}350^{\circ}C$). Sodium ion battery is investigating as one of the post lithium ion battery. In this paper, it is explained for the principle and recent research trends in sodium molten salt and sodium ion battery.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 나트륨을 활용하는 전지로서 앞에서 살펴본 NAS전지와 ZEBRA전지 이외에, 최근 연구가 활발히 진행되고 있는 나트륨 용융염 전지(sodium molten salt battery)와 나트륨 이온 전지(sodium ion battery)에 대해 전지의 개념과 연구동향에 대해 정리하고자 한다.
본 논문에서는 최근 연구가 활발히 진행되고 있는 나트륨 용융염 전지와 나트륨 이온 전지에 대한 연구동향에 대해 살펴보았다.

제안 방법

36kWh급 스택은 250Wh-3V급 단전지(150×180×40 mm) 4개를 직렬로 연결하여 1kWh-12V급 전지를 제작한 다음, 이 1kWh급 전지 36개를 조합하여 제작하였다. 1개의 단전지는 각 20장의 양극, 음극재를 격막을 사이에 두고 적층하여 알루미늄 케이스에 수납한 뒤 용융염을 주입한 후 용접하여 제작하였다. 이렇게 제작한 단전지의 에너지밀도는 270Wh/L(167 Wh/kg)을 나타냈다.
36kWh급 스택은 250Wh-3V급 단전지(150×180×40 mm) 4개를 직렬로 연결하여 1kWh-12V급 전지를 제작한 다음, 이 1kWh급 전지 36개를 조합하여 제작하였다.
스미토모 화학은 양극재로 NaFe_0.4Mn_0.3Ni_0.3O₂, 음극재로 하드카본, 액체 전해질로 1M NaPF₆ in PC, 격막으로 폴리프로필렌을 사용하여 Fig. 14와 같은 20층의 나트륨 이온전지를 제작하여 25℃, 2.0~4.0V 의 전압범위에서 충․방전 성능을 평가하였다¹⁴⁾.

대상 데이터

2.4 kWh급 스택

스미토모 전공에서는 2010년 Fig. 10에 나타낸 것과 같이 36kWh급 스택을 구성하여 시험 운전하였다.

성능/효과

나트륨 용융염 전지의 경우, 기존의 NAS전지, ZEBRA전지와 비교하여 안정성과 에너지밀도가 높다는 것을 알 수 있었다. 현재 스미토모 전공에서는 나트륨 용융염 전지의 상용화를 진행 중에 있다.
8에 나타냈다. 충전용량은 약 74.7Ah/kg, 방전용량은 74.0Ah/Kg을 나타냈으며, 전류효율은 약 99.1%를 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화석연료를 사용하는 자동차의 의존도를 줄이기 위해 개발되는 자동차의 종류에는 무엇이 있는가?	또한 화석연료를 사용하는 자동차에 대한 의존도를 줄이기 위해 전기자동차(electric vehicles, EVs), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicles, HEVs), 플러그 인 하이브리드 전기자동차(plug-in hybrid electric vehicles, PHEVs) 등이 연구개발 됨에 따라 에너지 저장 기술의 필요성은 더욱 증가하고 있다1).
	나트륨 이온 전지를 리튬 이온전지와 비교하면 어떠한가?	Table 4에 나타낸 것과 같이, 나트륨은 리튬에 비해 가격이 약 33배 낮고, 표준전극전위가 약 0.3V, 이온 체적이 약 2.4배, 원자량이 약 3.3배 높으며, 이론용량은 약 3.2배 낮다. 나트륨은 리튬에 비해 자원이 풍부하지만, 나트륨 이온 사이즈와 중량이 리튬보다 크기 때문에 이온의 전극 간 이동이 어려워, 전기저장 장치로서의 약점이 있다. 하지만, 나트륨 이온의 3d 전이금속 이온보다도 사이즈가 크다는 특징은 층상산화물이나 옥소산염(oxo acid salt)계 재료에서는 리튬과 비교하여 결정구조의 다양성이 향상된다는 이점이 있다15). 따라서 나트륨 이온전지의 개발은 원자레벨에서 나트륨과 잘 반응하는 축전지의 화학반응의 선택이 중요하다16).
	재생에너지의 단점은 무엇인가?	특히, 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용하는 발전시스템의 보급 및 인프라 구축, 이러한 친환경 에너지원을 이용하여 에너지 효율을 최적화하고자 하는 차세대 전력망인 스마트 그리드 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다1). 하지만 재생에너지는 변동성이 높은 자연에너지에 의존하기 때문에 전력의 변동성에 대응하기 어렵고, 전력 공급의 안정을 확보하기 어렵다. 따라서 재생에너지의 변동성을 수용하고, 원활한 전력의 공급 및 발전설비의 효율적인 활용을 위해 에너지 저장 기술이 필요하다.

참고문헌 (31)

B.L. Ellis, L.F. Nazar, "Sodium and sodium-ion energy storage batteries", Current Opinion in Solid State and Materials Science, Vol. 16, 2012, p. 168.

상세보기
H-S. Choi, J-C. Kim, C-H. Ryu, G-J. Hwang, "Research review of the all vanadium redox-flow battery for large scale power storage", Membrane Journal, Vol. 21, No. 2, 2011, p. 107.
G-J. Hwang, A-S. Kang, H. Ohya, "Review of the redox-flow secondary battery", Chemical Industry and Technology, Vol. 16, No. 5, 1998, p.455.
NGK homepage, http://www.ngk.co.jp
T. Horie, Y. Ishida, H. Fujioka, "New trends in power storage systems", NTT Building Technology Institute Report, 2004.
R.C. Galloway, C.-H. Dustmann, "ZEBRA batterymetal cost availability and recycling", EVS-20, Nov.15-19, California, USA, 2003.
M. Mack, R. Pitchai, "Batteries 2010", The Big Batteries Industry Guide-Battery overview, Batteries International, January 2010.
J.L. Sudworth, "The sodium/nickel chloride (ZEBRA) battery", J. Power Sources, Vol. 100, 2001, p. 149.

상세보기
K. Nitta, S. Inazawa, S. Sakai, A. Fukunaga, E. Itani, K. Numata, R. Hagiwara, T. Nohira, "Development of molten salt electrolyte battery", SEI Technical Review, No. 76, April 2013, p.33.
A. Fukunaga, T. Nohira, Y. Kozawa, R. Hagiwara, S. Sakai, K. Nitta, S. Inazawa, "Intermediate-temperature ionic liquid NaFSAKFSA and its application to sodium secondary batteries", J. Power Sources, Vol. 209, 2012, p.52.

상세보기
C.-Y. Chen, K. Matsumoto, T. Nohira, R. Hagiwara, A. Fukunaga, S. Sakai, K. Nitta, S. Inazawa, "Electrochemical and structural investigation of $NaCrO_2$ as a positive electrode for sodium secondary battery using inorganic ionic liquid NaFSA-KFSA", J. Power Sources, Vol. 237, 2013, p. 52.

상세보기
A. Fukunaga, T. Nohira, R. Hagiwara, K. Numata, E. Itani, S. Sakai, K. Nitta, S. Inazawa, "A safe and high-rate negative electrode for sodium-ion batteries: Hard carbon in NaFSA- $C_1C_3pyrFSA$ ionic liquid at 363K", J. Power Sources, Vol. 246, 2014, p. 387.

상세보기
C.-Y. Chen, K. Matsumoto, T. Nohira, R. Hagiwara, Y. Orikasa, Y. Uchimoto, "Pyrophosphate $Na_2FeP_2O_7$ as a low-cost and high-performance positive electrode material for sodium secondary batteries utilizing an inorganic ionic liquid", J. Power Sources, Vol. 246, 2014, p. 783.

상세보기
S. Kuze, J. Kageura, S. Mastumoto, T. Nakayama, M. Makidera, M. Saka, T. Yamaguchi, T. Yamamoto, K. Nakane, "Development of a sodium ion secondary battery", Sumitomo Kagaku, Vol. 2013, 2013, p. 1.
N. Yabuuchi, S. Komaba, "A study on Iron-based layered Na-insertion materials", PF NEWS, Vol. 30, No. 3, Nov., 2012, p. 11.
NEDO report No. 1079, "Making sodium-ion batteries that are worth their salt", 2011. 11. 16.
F. Sauvage, L. Laffont, J.-M. Tarascon, E. Baudrin, "Study of the insertion/deinsertion mechanism of sodium into $Na_{0.44}MnO_2$ ", Inorg. Chem., Vol. 46, 2007, p. 3289.

상세보기
Y. Cao, L. Xiao, W. Wang, D. Choi, Z. Nie, J. Yu, L.-V. Saraf, Z. Yang, J. Liu, "Reversible sodium ion insertion in single crystalline manganese oxide nanowire with long cycle life", Adv. Mater., Vol. 23, 2011, p. 3155.

상세보기
T. Omori, "Natoriumu ion denchino denkyoku tokuseito zenkotaidenchino sisaku", Central Research Institute of Electric Power Industry (Japan) report, No. Q12011, May, 2013.
Z. Liu, X. Wang, Y. Wang, A. Tang, S. Yang, L. He, "Preparation of $NaV_{1？x}Al_xPO_4F$ cathode materials for application of sodium-ion battery", Trans. Nonferrous Met. Soc. China, Vol. 18, 2008, p. 346.

상세보기
J. Barker, RKB. Gover, P. Burns, AJ. Bryan, "Hybrid-ion a lithium-ion cell based on a sodium insertion materials", Electrochem. Solid-State Lett., Vol. 9, 2006, A190.

상세보기
N. Yabuuchi, M. Kajiyama, J. Iwatate, H. Nishikawa, S. Hitomi, R. Okuyama, R. Usui, Y. Yamada, S. Komaba, " $P_2$ -type $Na_x[Fe_{1/2}Mn_{1/2}]O_2$ made from earth abundant elements for rechargeable Na batteries", Nature Materials, Vol. 11, 2012, p. 512.

상세보기
X. Xia, J.R. Dahn, " $NaCrO_2$ is a fundamentally safe positive electrode material for sodium-ion batteries with liquid electrolytes", Electrochem. Solid-State Lett., Vol. 15, No. 1, 2012, A1.

상세보기
S. Komaba, Y. Matsuura, T. Ishikawa, N. Yabuuchi, W. Murata, S. Kuze, "Redox reaction of Sn-polyacrylate electrodes in aprotic Na cell", Electrochem. Commun., Vol. 21, 2012, 65.

상세보기
A. Darwiche, C. Marino, M.T. Sougrati, B. Fraisse, L. Stievano, L. Monconduit, "Better cycling performances of bulk Sb in Na-ion batteries compared to Li ion systems: An unexpected electrochemical mechanism", J. Amer. Chem. Soc., Vol. 134, 2012, 20805.

상세보기
L. Xiao, Y. Cao, J. Xiao, W. Wang, L. Kovarik, Z. Nie, J. Liu, "High capacity, reversible alloying reactions in SnSb/C nano-composites for Na-ion battery applications", Chem. Commun., Vol. 48, 2012, 3321.

상세보기
S.-I. Park, I. Gocheva, S. Okada, J. Yamaki, "Electrochemical properties of $NaTi_2(PO_4)_3$ anode for rechargeable aqueous sodium-ion batteries", J. Electrochem. Soc., Vol. 158, 2011, A1067.

상세보기
P. Senguttuvan, M. Palacin, " $Na_2Ti_3O_7$ : lowest voltage ever reported oxide insertion electrode for sodium ion batteries", Chem. Mater., Vol. 23, 2011, 4109.

상세보기
C. Didier, M. Guignard, C. Denage, O. Szajwaj, S. Ito, I. Saasoune, J. Darriet, C. Delmas, "Electrochemical Na deintercalation from $NaVO_2$ ", Electrochem. Solid-State Lett., Vol. 14, 2011, A75.

상세보기
O. Szajwaj, E. Gaudin, F. Weill, J. Darriet, C. Delmas, "Investigation of the new P'3- $Na_{0.6}VO_2$ phase: structural and physical properties", Inorg. Chem., Vol. 48, 2009, 9147.

상세보기
V. Chevrier, G. Ceder, "Challenges for Na-ion negative electrodes", J. Electrochem. Soc., Vol. 158, 2011, A1011.

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