나트륨 이온 배터리는 무엇이며 리튬을 대체할 수 있습니까?

나트륨 이온(Na-ion) 배터리는 리튬 이온 대신 나트륨 이온을 사용하여 전력을 저장하고 전달합니다. 나트륨은 리튬보다 훨씬 더 풍부하고 환경 친화적이지만 나트륨 이온 배터리를 새로운 배터리 챔피언으로 만들기 위해서는 여전히 몇 가지 과제가 남아 있습니다.

배터리는 일상 생활의 필수 요소가 되고 있으며, 더 나은 배터리를 고안하는 사람은 누구나 플래터에 세상을 가지고 있습니다. 나트륨-이온 배터리는 리튬-이온 배터리에 대한 최고의 경쟁자이지만 정확히 무엇이 그들을 특별하게 만들까요?

나트륨 이온 배터리란 무엇입니까?

나트륨 이온 배터리는 에너지를 저장하고 방출하기 위해 리튬 이온 대신 나트륨 이온(양전하를 띤 작은 입자)을 사용하는 배터리입니다. 나트륨 이온 배터리는 1990년대에 전화기와 전기 자동차에 일반적으로 사용되는 리튬 이온 배터리의 가능한 대안으로 상업적 가능성을 보여주기 시작했습니다.

나트륨 이온 배터리 작동 방식

Na 이온 배터리라고도 하는 나트륨 이온 배터리는 화학 반응을 사용하여 전기 에너지를 저장하고 방출합니다. 모든 배터리와 마찬가지로 배터리에는 이온(양전하 또는 음전하를 띤 작은 입자)이 전극 사이를 이동할 수 있도록 하는 특수 물질인 전해질로 분리된 두 개의 전극(양극 및 음극)이 있습니다.

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나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리와 유사하게 작동하지만 리튬 이온 대신 나트륨 이온을 사용합니다. 전극과 전해질에 대한 재료 선택은 배터리의 성능과 수명에 영향을 미칠 수 있으므로 연구원들은 비용, 성능 및 안전성의 최상의 조합을 찾기 위해 다양한 조합을 지속적으로 실험하고 있습니다. 일반적으로 음극(음극)과 전해질에는 나트륨이 포함되어 있습니다.

나트륨 이온 배터리를 훌륭하게 만드는 것은 무엇입니까?

리튬 이온 배터리는 현재 휴식처를 지배하고 있으며 지금보다 훨씬 더 나은 배터리를 만들기 위한 많은 연구가 있습니다. 그럼에도 불구하고 나트륨 이온 배터리에는 몇 가지 뚜렷한 장점이 있습니다.

나트륨은 리튬보다 훨씬 풍부한 원소로, 구하기 쉽고 저렴합니다. 이것은 나트륨 이온 배터리를 리튬 이온 배터리보다 제조 비용이 적게 들고 환경 친화적으로 만들 수 있습니다!
나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리와 유사한 에너지 밀도를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있어 아직은 아니지만 광범위한 유사한 응용 분야에 적합합니다.
나트륨 이온 배터리는 과열 및 발화 가능성이 적기 때문에 일반적으로 리튬 이온 배터리보다 안전한 것으로 간주됩니다. 여러 실험용 리튬 배터리가 현재 배터리를 폭발시킬 수 있는 손상에 대한 놀라운 저항성을 보여주었지만.

나트륨 이온 배터리의 단점

완벽한 배터리 기술과 같은 것은 없으며 나트륨 이온 배터리가 아직 리튬을 대체하지 못한 몇 가지 이유가 있습니다.

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리(3.7V)보다 전압(2.5V)이 낮아 많은 에너지를 빠르게 전달해야 하는 고전력 애플리케이션에 적합하지 않을 수 있습니다.
리튬 이온 배터리보다 충전/방전 속도가 느려 많은 전력을 빠르게 전달해야 하는 애플리케이션(예: 전기 자동차)에 적합하지 않을 수 있습니다.
나트륨 이온 배터리는 배터리가 열화되기 전에 여전히 제한된 충전 주기를 가지며 일부 리튬 이온 배터리 화학(예: LiFeP04)은 열화되기 전에 10,000 사이클에 도달할 수 있습니다.

이러한 기술적 장단점 외에도 나트륨 이온 배터리의 제조 체인은 널리 보급된 상용 제품이 되기 전에 해결해야 할 문제가 여전히 남아 있습니다. 엔지니어와 과학자들이 이 배터리 기술의 나머지 약점에 대한 솔루션을 연구하고 있다는 것은 말할 것도 없습니다.

나트륨 이온 배터리의 현재와 미래 가능성

전 세계의 연구원과 회사는 나트륨 이온 배터리의 성능과 상업적 실행 가능성을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 일부 주요 초점 영역에는 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도 및 전압 개선과 수명 및 충전/방전 속도 증가가 포함됩니다.

이러한 노력이 성공한다면 나트륨 이온 배터리는 미래에 리튬 이온 배터리의 실행 가능한 대안이 될 수 있습니다. 그들은 잠재적으로 휴대용 전자 제품, 전기 자동차 및 고정식 에너지 저장 시스템을 포함한 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다.

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2022년 미국 에너지부의 연구원들은 나트륨 이온 배터리의 내구성을 개선하는 데 큰 돌파구를 마련했습니다. 배터리의 일부 화학적 성질을 변경함으로써 동전 크기의 프로토타입 배터리는 90% 이상의 용량을 유지하면서 300회 이상 지속되었습니다. 그러나 화학에 대한 이러한 새로운 접근 방식이 없더라도 나트륨 이온 배터리는 어쨌든 대량 생산에 돌입할 것으로 보입니다.

나트륨 이온 대량 생산은 이미 시작되었습니다

2022년 12월 HiNa라는 회사가 중국 국영 중국 Three Gorges Corporation과 제휴하여 나트륨 이온 배터리 대량 생산을 시작했다고 보고되었습니다. 1세대 HiNa 배터리는 리튬 이온 배터리의 약 절반인 125Wh/kg의 에너지 밀도 수치를 제공합니다. 그러나 이러한 배터리는 약 4500회 충전 주기로 정격화되어 일반적인 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 많습니다.

일반적인 인산철 리튬 배터리는 나트륨 이온 배터리와 유사한 에너지 밀도를 제공하며 정격 충전 횟수도 비슷합니다. 따라서 나트륨 이온 배터리는 백업 인버터 전원 또는 전기 자동차와 같은 응용 분야에서 이러한 배터리와 직접적으로 경쟁하게 됩니다.

차세대 HiNa 배터리는 200Wh/kg의 에너지 밀도를 가질 예정이며 후속 세대는 이를 초과할 것으로 예상됩니다. 리튬 배터리를 사용하는 일부 전기 자동차의 에너지 밀도가 250Wh/kg 미만인 점을 고려할 때 이러한 초기 대량 생산 나트륨 이온 배터리는 전력 저장 비용을 크게 줄일 수 있는 잠재력이 있습니다.

그러나 LiFeP04 배터리와 마찬가지로 이 기술이 곧 스마트폰이나 노트북에 적용될 것으로 기대하지 마십시오. 이러한 소형 장치에서 에너지 밀도는 여전히 가장 중요한 고려 사항입니다. 그러나 가까운 장래에 전기 자동차나 태양열 배터리 시스템이 조금 더 짜게 되더라도 놀라지 마십시오.