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포스텍 철강·에너지소재대학원 조창신 교수 연구팀과 카이스트 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 공동연구를 통해 장수명 소듐(나트륨) 금속 음극 및 고출력 해수 전지를 위한 비불소계 전해질을 개발하였습니다.

불소(F)는 전지의 전기화학적 성능을 향상시키는데 크게 기여하여 현재 상용화된 리튬-이온 전지 외에도 다양한 차세대 전지 전해질의 필수 요소로 자리매김하고 있습니다. 다만, 비싼 가격뿐만 아니라 인체와 환경에 유해하고 강한 독성이라는 문제점을 가져 이를 대체할 비불소계 전해질(F-free electrolyte) 개발이 필수적 입니다. 

공동 연구팀은 기존 불소계 전해질을 대체할 수 있는 비불소계 전해질을 설계하여 매우 뛰어난 가격 경쟁력과 불소계 전해질의 전기화학적 성능을 상회하는 전기화학적 성능을 달성하였습니다.

연구팀은 수소화 소듐(NaH)이 불화 소듐을 대체할 수 있다는 최근 연구 보고에 착안해 수소화붕소 소듐(NaBH4) 염을 이써 (ether, C-O-C 결합을 포함) 계열 유기용매에 녹인 전해질을 설계하였습니다. 수소화붕소 소듐은 환원제의 일종으로 유, 무기 합성이 필요한 산업계에서 널리 사용되는 물질입니다. 또한 연구팀은 수소화붕소 소듐 기반 전해질을 해수 전지에 적용하였고, 높은 전류밀도인 1 mA cm-2에서 기존 불소계 전해질은 35회 정도의 수명 특성을 보인 반면, 수소화붕소 소듐 기반 전해질은 150회 이상의 장수명 특성을 달성하였고, 마찬가지로, 기존 불소계 전해질의 출력밀도는 2.27 mW cm-2 에 그친 반면, 수소화붕소 소듐 기반 전해질의 출력밀도는 2.82 mW cm-2로 큰 차이를 보여, 연구팀이 개발한 수소화붕소 소듐 기반의 전해질은 비용 절감, 수명 특성 향상을 통해 해수전지의 상용화에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다고 전했습니다. 

이번 연구는 국제 학술지 ‘에너지 인바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 10월 10권 15호에 출판됐으며, 후면 표지논문(outside back cover)로 선정 되었습니다. (논문명: Designing Fluorine-Free Electrolytes for Stable Sodium Metal Anodes and High-Power Seawater Batteries via SEI reconstruction)