안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
소듐이온 배터리는 기존 리튬이온 배터리와 동일하게 작동하지만, 리튬 이온 대신 쉽게 얻을 수 있는 나트륨 이온이 양극과 음극 사이를 오가며 전기를 저장하고 방출하는 원리입니다.
배터리의 핵심 구성 요소로 양극는 주로 나트륨 전이금속 산화물이나 프러시안 블루 유사체 등이 사용되며 층상 구조를 띠고 있고, 이 층과 층 사이에 나트륨 이온이 위치합니다. 음극은 나트륨 이온은 리튬 이온보다 이온 반경이 더 크기 때문에 결정이 촘촘한 흑연의 층간 구조에는 원활하게 삽입되지 못하기 때문에 층간 간격이 더 넓고 불규칙한 미세 기공을 가진 하드 카본을 사용해 나트륨 이온을 수용합니다.
충전 과정에서 양극에서의 탈리현상이 일어나는데, 양극재 격자 구조 안에 안정적으로 존재하던 나트륨 이온이 에너지를 받아 구조 밖으로 빠져나오면 전해질을 타고 음극 쪽으로 이동합니다. 음극에 도달한 나트륨 이온은 외부 회로를 타고 이동해 온 전자와 만나, 하드 카본의 틈새나 기공 안으로 삽입이 일어납니다. 이때 전기가 화학 에너지의 형태로 저장됩니다. 방전 과정은 반대로 일어납니다. 하드 카본에 억지로 밀려 들어가 있던 나트륨 이온이 에너지를 방출하며 구조 밖으로 빠져나오면 전자를 외부 회로로 내어놓게 되며, 이 전자의 흐름이 우리가 기기를 작동시키는 전류가 됩니다. 나트륨 이온은 다시 전해질을 거쳐 양극으로 돌아갑니다. 양극의 전이금속 산화물 층상 구조 안으로 나트륨 이온이 다시 들어가면서 배터리는 본래의 에너지적으로 안정된 상태로 돌아갑니다.