1. 나트륨 이차 전지 및 문제점
∘ 나트륨이온전지는 리튬이온전지와 마찬가지로 전해질 내에 전기화학적 전위차가 있는
양극과 음극으로 구성되어 전기에너지가 필요시 전자 및 나트륨이온이 자발적으로
음극에서 양극으로 이동하여 전기에너지를 생성한다. 충전 시에는 외부에서
전기에너지를 가하여 다시 나트륨이온과 전자를 다시 음극으로 보내어 원래의 상태로
돌릴 수 있다. 즉, 리튬이온전지와 마찬가지로 충/방전이 용이하게 가능한 에너지 저장
시스템(2차 전지)이다. 그러나 나트륨이온은 리튬이온에 비해 3배 이상 무겁고 전지전압
또한 0.3 V 낮기 때문에 현재 상용화된 리튬이온전지에 비해 에너지 저장 용량이 낮고
출력을 높이기 힘들며, 나트륨 이온이 전극 물질 내부로 들어갔다 나왔다 하는 과정이
반복되며 부피 변화가 일어나 구조가 붕괴되는 등의 문제도 리튬이온전지에 비해 크기
때문에 수명 또한 짧다.
2. 주석 인화물 음극과 화학 조성
∘ 상용화된 리튬이온전지는 이론 용량이 372 mAh/g에 달하며 저항이 작은 흑연 음극을
사용하지만, 흑연은 많은 수의 나트륨이온을 저장할 수 없다. 나트륨을 저장할 수 있는
탄소재료로서 난층구조를 갖는 하드 카본이 있지만 용량은 300 mAh/g 이하로 낮고
전지전압 또한 흑연과 비교하여 0.2 V 정도 낮아진다. 따라서 리튬이온전지의 에너지
저장 용량을 실현하기 위해서는 1000 mAh/g 이상의 나트륨이온 저장용량을 갖으며
전지전압을 높일 수 있는 음극재료가 필요하다.
∘ 주석 인화물 (SnPx) 음극 활물질은 주석(Sn)과 인(P)의 화합물로서 Sn4P3 ~ SnP3까지
다양한 조성의 화합물이 존재한다. 주석과 인이 각각 합금화 반응과 전환 반응을 통해
나트륨이온을 저장하는데, 무게가 가벼운 인이 중량당 나트륨이온 저장용량이 크기
때문에 일반적으로 인의 비율이 높아지면 용량은 높아진다. 하지만 전도성이 낮은 인의
비율이 높아질수록 출력 성능이 낮아지고 수명이 짧아지는 문제가 있다. 또한, 낮은
전도성으로 인해 전극 저항이 커지면 충전에 필요한 전압과 방전에 필요한 전압의 차이가
크면 에너지 변환 효율이 떨어진다.
3. 전극 두께
∘ 수십년 전부터 현재까지 리튬이온전지는 중량당, 부피당 에너지가 2배이상 증가하였다.
이러한 발전에 기여한 것은 사실 전극 재료가 크게 바뀐 것보다 패키징 기술의 발전에
기인한다. 배터리는 에너지 저장 용량을 결정하는 전극 활물질 (양극재 및
음극재)이외에도 전극 집전체, 분리막, 전해액, 하우징 등 다양한 구성요소가 있다.
따라서 배터리의 전체 중량에서 활물질이 점유하는 중량비율을 증가시키면 똑같은 전극