새로운 연구에 따르면 중국 회사가 생산한 상업용 나트륨 이온 배터리는 제조 일관성 및 여러 핵심 성과 지표 측면에서 Tesla의 리튬 이온 배터리와 경쟁할 수 있으며, 이 저렴한 새 배터리 기술이 전기 자동차 및 그리드 에너지 저장 분야에 적용을 가속화할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 연구팀은 저온 충전 성능과 에너지 밀도 등에서 추가적인 혁신이 이루어지면 나트륨이온전지가 전기자동차와 대규모 에너지 저장 시스템에서 더욱 비용 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 기대한다고 지적했다.
Cell Press의 저널인 Cell Reports Physical Science에 발표된 이 연구는 중국의 승용차 및 대규모 에너지 저장 프로젝트에 사용된 상업용 나트륨 이온 배터리를 기반으로 합니다. 연구 결과, 중국 기업 히나(Hina)가 출시한 이 배터리는 제조 공정 균일성이나 전반적인 성능 측면에서 현재 테슬라가 사용하는 리튬이온 배터리 수준에 근접한 것으로 나타났다. 연구자들은 이번 발견이 나트륨 이온 기술의 산업화가 이전에 예상했던 것보다 더 빠르게 진행될 것임을 의미한다고 믿고 있습니다.
독일 RWTH 아헨 대학교의 배터리 연구원인 Moritz Schütte는 이 셀 배치의 일관성, 고속 성능 및 저온 성능으로 인해 고정식 에너지 저장, 그리드 보조 서비스 및 내구성 요구 사항에 상대적으로 둔감하지만 비용 및 자원 공급에 더 관심이 있는 단거리 또는 상업용 차량에 매력적이라고 말했습니다. 물질 수준에서 나트륨 이온 기술은 리튬 대신 나트륨을 핵심 전류 운반 이온으로 사용합니다. 널리 존재하고 더욱 풍부한 원소인 나트륨의 도움으로 배터리 원자재 비용을 크게 절감하고 장기적인 공급망 위험을 완화할 수 있을 것으로 기대됩니다.
연구팀은 이 Zhongke Hainan 나트륨 이온 배터리와 Tesla의 첨단 리튬 배터리 간의 차이를 평가하기 위해 120개의 셀에 대해 체계적인 테스트를 수행하고 전기화학 임피던스 분광법과 같은 비파괴 테스트 방법을 사용하여 제조 일관성을 평가했습니다. 그런 다음 팀은 실제 사용을 시뮬레이션한 조건에서 -20°C ~ 45°C 범위의 다양한 충전 속도와 온도에서 배터리 셀의 전력 및 에너지 출력을 테스트했습니다. 연구진은 또한 X선 영상 및 분해 분석을 통해 배터리의 내부 구조, 극편 크기, 재료 구성 및 미세한 특징을 주의 깊게 특성화했습니다.
분석 결과에 따르면 나트륨 이온 배터리의 구조 설계는 무전극 귀 및 이중 알루미늄 집전체와 같은 설계를 사용하여 내부 저항을 줄이고 온도 분포의 균일성을 향상시키는 등 매우 성숙한 것으로 나타났습니다. 전체적인 레이아웃은 현재 Tesla 배터리 아키텍처와 매우 유사합니다. Schütte는 팀이 이 세포 배치의 일관성에 대해 "기분 좋게 놀랐다"고 솔직하게 말했습니다. 제조 수준이 "최초의 상업용 나트륨 이온 제품"이라는 전통적인 인상을 훨씬 초과했다고 믿었습니다. 높은 속도에서 나트륨 이온 배터리의 출력 성능은 연구원들이 초기 상용 제품에 대해 일반적으로 기대했던 것보다 뛰어납니다.
인상적인 성능에도 불구하고 나트륨 이온 배터리는 최고 수준의 리튬 이온 배터리에 비해 여전히 중요한 단점을 갖고 있다는 연구 결과도 있습니다. 저온 충전 측면에서는 배터리 성능이 아직 부족하다. 낮은 주변 온도 조건에서 자주 충전되는 애플리케이션에는 보다 정교한 열 관리 전략과 운영 계획이 필요합니다. 연구팀은 또한 음극의 국부적인 영역에서 비정상적으로 높고 고르지 않게 분포된 구리 함량을 발견했으며, 이는 장기 성능 및 노화 거동에 대한 역할에 대한 추가 의문을 제기했습니다.
현재 상업용 나트륨 이온 배터리는 에너지 밀도 측면에서 가장 진보된 리튬 이온 제품에 비해 여전히 뒤떨어져 있으며 관련 기술의 성숙도도 상대적으로 낮습니다. 그러나 연구에 따르면 이러한 유형의 배터리는 저온 및 고부하 환경에서도 여전히 우수한 출력 성능을 유지할 수 있어 고정식 에너지 저장 장치 및 추운 지역에서 작동하는 차량 애플리케이션에 잠재적인 이점을 제공하는 것으로 나타났습니다. Schütte는 앞으로 니켈이나 구리와 같은 금속에 대한 의존도를 없애면서 경쟁력 있는 에너지 밀도를 유지할 수 있다면 나트륨 이온 기술의 매력은 더욱 높아질 것이라고 말했습니다.
다음 단계에서 연구팀은 혹한 조건에서 보다 안전하고 효율적인 충전을 달성하기 위해 0°C 이하 환경에서 나트륨 이온 배터리의 충전 동작을 개선하는 데 중점을 둘 계획입니다. 재료 시스템 측면에서는 하드카본 음극 및 전해질 공식을 개선하는 것이 가장 유망한 방향 중 하나로 간주됩니다. 관련 연구는 독일 연방 연구, 기술 및 우주부와 연방 경제 에너지부에서 자금을 지원받았으며, 이는 유럽 과학 연구 및 정부 부서가 차세대 배터리 기술 환경에서 나트륨 이온 경로의 잠재력에 세심한 주의를 기울이고 있음을 보여줍니다.