고용량/고에너지 밀도의 나트륨 전지를 위한 셀 설계 연구 = A Study on Cell Design for High-Capacity/High-Energy-Density Sodium Batteries

국문 초록 (Abstract)

전기자동차 및 에너지저장시스템(ESS)의 수요 증가로 인해 고에너지밀도 이차전지의 필요성이 급격히 확대되고 있다. 현재 리튬이온전지가 상용화되어 널리 사용되고 있으나, 리튬 자원의 부족과 지역적 편재성으로 인해 이를 대체할 차세대 전지 기술로 나트륨이온전지(Sodium-Ion Battery, SIB) 가 주목받고 있다. 나트륨은 지각 내 풍부한 자원으로 저비용 대규모 응용에 적합하지만, 상대적으로 낮은 작동전압과 느린 이온 확산 특성으로 인해 고에너지밀도 구현에 한계가 존재한다.
본 연구의 목적은 고용량(≥30 mg/cm²) 및 고에너지밀도(≥150 Wh/kg) 조건에서도 안정적으로 구동 가능한 나트륨이온전지를 구현하기 위한 셀 설계 및 전극 제조 공정을 확립하는 것이다. 이를 위해 습식(Wet) 및 건식(Dry) 전극 제조법을 비교하여, 전극의 미세구조, 열적 안정성, 전기화학적 성능의 차이를 체계적으로 분석하였다.
양극으로는 Na₁(Ni₁/₃Mn₁/₃Fe₁/₃)O₂ (Ecopro BM)를, 음극으로는 Hard Carbon(Kureha)을 사용하였으며, 전극 간 용량 밸런스를 맞추기 위해 N/P 비율을 1.1로 설계하였다. 건식 전극 공정에서는 PTFE 바인더를 적용하여, 습식 전극에서 나타나는 바인더 마이그레이션 및 잔류 용매(NMP) 문제를 근본적으로 억제하였다.
단면 SEM 및 DSC 분석 결과, 건식 전극은 균일한 전도 네트워크 구조와 낮은 발열량을 보여 구조적·열적 안정성이 우수함을 확인하였다. 또한 GC–MS 분석에서 습식 전극에는 NMP 잔류(약 137 ppm)가 검출된 반면, 건식 전극에서는 불검출되어 계면 안정성 및 수명 특성이 향상되었음을 확인하였다. 이러한 최적화된 건식 전극을 적용하여 50×80 mm 크기의 5-Stack 파우치형 나트륨이온전지를 제작하였다. 그 결과, 평균 전압 3.16 V에서 166.3 Wh/kg 의 에너지밀도를 구현하였다.
이 결과는 제안된 전극 구조 및 조성 최적화의 타당성을 입증하였다. 결론적으로, 본 연구에서 제안한 건식 전극 기반 고로딩 나트륨전지 공정은 전극의 구조적 균일성, 열적 안정성 및 장기 사이클 수명을 동시에 확보할 수 있는 기술로 평가된다. 이는 차세대 고에너지밀도 나트륨이온전지의 대면적 상용화 및 고신뢰성 셀 설계에 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The demand for high-energy-density batteries has rapidly increased due to the expansion of electric vehicles and energy storage systems. Although lithium-ion batteries currently dominate the market, issues related to lithium resource scarcity and uneven distribution have prompted research into alternative systems such as sodium-ion batteries (SIBs). Owing to the abundance and low cost of sodium, SIBs offer promising potential for large-scale applications; however, their relatively low voltage and sluggish ion diffusion present challenges in achieving high energy density and long-term stability. This study aims to establish an optimized cell design and electrode fabrication process to achieve high energy density (≥150 Wh／kg) under high-loading (≥30 mg／cm²) conditions in sodium-ion batteries. Both wet and dry electrode fabrication methods were ystematically compared in terms of their microstructure, thermal stability, and electrochemical performance. The cathode, Na₁(Ni₁/₃Mn₁/₃Fe₁/₃)O₂, and hard carbon anode were evaluated to construct a balanced full-cell design with an N/P ratio of 1.1. The dry electrode process using PTFE binder successfully suppressed binder migration and residual solvent effects observed in wet-processed electrodes. Cross-sectional SEM and DSC analyses confirmed that dry electrodes exhibited uniform conductive networks and 64% lower heat generation, indicating superior structural and thermal stability. Furthermore, GC–MS analysis revealed the absence of residual NMP in dry electrodes, which otherwise led to gas evolution and interface instability in wet electrodes. A pouch-type full cell (50 × 80 mm, 5-stack configuration) was fabricated based on the optimized dry electrode design. The resulting sodium-ion pouch cell achieved an energy density of 166.3 Wh/kg with an average voltage of 3.16 V and maintained over 93% capacity retention after 200 cycles. The performance closely matched the designed target (≈170 Wh/kg), demonstrating the effectiveness of the structural and compositional optimization.
Overall, the results confirm that the dry electrode process offers significant advantages for realizing high- nergy sodium-ion batteries by ensuring uniform electrode architecture, enhanced thermal stability, and long-term durability. This research provides an essential foundation for the scalable fabrication of high-loading sodium-ion cells, offering valuable insight into their potential for next-generation energy storage systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 나트륨이온전지의 개발 배경 1
• 1.2. 고에너지밀도 나트륨전지 구현을 위한 핵심 요소 2
• 1.3. 습식건식 전극 공정의 비교 및 한계 3
• 1.4. 연구 목적 및 논문의 구성 4
• 2. 실험 5
• 2.1. 소재 및 재료 5
• 2.2. 전극 제조 방법 6
• 2.3. 셀 제작 및 조립 7
• 2.4. 전기화학적 평가 8
• 2.5. 재료 분석 방법 9
• 3. 결과 및 고찰 10
• 3.1. 전극 구성요소 분석 및 전기화학적 특성 평가 10
• 3.1.1 양극재 Na₁(Ni₁/₃Mn₁/₃Fe₁/₃)O₂ 10
• 3.1.2. 음극재 Hard Carbon 16
• 3.1.3. 집전체의 저항 및 계면 특성 평가 20
• 3.1.4. 하프셀 기반 풀셀 설계 데이터베이스 24
• 3.2. 고로딩 전극 설계 및 전극 제조 기술 29
• 3.2.1. 습식 공정 제조 기술 29
• 3.2.2. 건식 전극 제조 기술 35
• 3.2.3. 로딩 수준에 따른 건식 전극의 전기화학적 성능 41
• 3.3. 파우치 셀 설계 및 에너지 밀도 평가 44
• 3.3.1. 150 Wh/kg 나트륨 파우치 풀셀 설계 44
• 3.4. 고로딩 건식 습식 방법에 따른 특성 분석 54
• 3.4.1. 고로딩 건식 습식 전극 표면 분석 및 물성 비교 54
• 3.4.2. 고로딩 건식 습식 전극 전기화학 특성 비교 64
• 4. 결론 70
• 참고문헌 73
• Abstract 77