리튬 한 방울로 수명 20%↑…소듐이온전지, 상용화 문턱 넘나

소량의 리튬염(LiPF6)을 첨가해 소듐이온전지(Sodium-ion Battery, SIB)의 수명을 약 20% 이상 향상할 수 있는 메커니즘이 밝혀졌다.

포항산업과학연구원에 따르면 이번 연구 결과(논문명:Transformative Effect of Li Salt for Proactively Mitigating Interfacial Side Reactions in Sodium-Ion Batteries)는 나노소재 분야의 국제 권위지인 ‘Nano-Micro Letters’의 2025년 4월 온라인판에 게재됐다. 해당 연구는 한국전자기술연구원 김현승 박사, 강원대학교 김영진 교수, 포항산업과학연구원 장준하 박사가 이끄는 공동연구팀에 의해 수행됐다.

리튬 가격이 비싸고 자원이 제한적인 만큼, 이를 대체할 수 있는 소듐이온전지(SIB)가 저렴하고 안정적인 배터리로 주목받고 있다. 특히 중국에서는 전기이륜차나 에너지 저장장치(ESS) 같은 분야에서 실제 사용 사례가 늘고 있고, 국내에서도 관련 기술 개발이 활발하게 진행 중이다. 하지만 아직도 전해질이 쉽게 분해돼 배터리 표면이 손상되고, 이로 인해 수명이 짧아지는 문제가 해결되지 않고 있다. 

이에 공동연구팀은 전해질에 리튬염(LiPF₆)을 0.2M(몰 농도) 첨가해 리튬 기반 솔베이션 클러스터가 형성되도록 유도했다. 이 클러스터는 음극 표면에서 Li2CO3 기반의 안정적인 보호막(Solid Electrolyte Interphase, SEI)을 생성해 전해질이 쉽게 분해되지 않도록 막는다.기존 소듐 기반 SEI보다 용해도가 낮아 계면 안정성을 높일 수 있다.

양극에는 리튬의 도핑으로 리튬 필라(Pillar)가 형성되는데, 이 구조는 산소 방출과 전해질 산화를 효과적으로 억제한다. 공동연구팀은 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM) 분석 및 X선 광전자 분광법(XPS), 비행시간형 이차이온질량분석법(TOF-SIMS) 등 다양한 정밀 분석을 통해 양극 표면에 LiF 보호막과 Li 지지 구조가 실제로 생성되었음을 확인했다.

이러한 양·음극의 계면 안정화 덕분에, 모노셀 형태의 SIB pouch cell은 400 사이클 후에도 92.7%의 용량을 유지했으며, 기존 FEC 첨가제 전해질 대비 약 20% 향상된 수명을 달성했다.

이번 성과는 고전압 조건에서 수백 사이클 후 급격한 성능 저하를 일으키는 기존 NaPF₆ 전해질의 한계를 극복하고, 고신뢰성 차세대 소듐이온전지를 위한 새로운 소재 설계 방안을 제시했다는 점에서 큰 의의를 지닌다.