에너지는 인류 문명 발전의 물질적 기반으로서 항상 중요한 역할을 해왔습니다. 이는 인간 사회 발전에 필수적인 보장 요소이며, 물, 공기, 식량과 함께 인간 생존의 필수 조건을 구성하고 인간의 삶에 직접적인 영향을 미칩니다.

에너지 산업의 발전은 장작 시대에서 석탄 시대로, 그리고 석탄 시대에서 석유 시대로 두 번의 큰 변화를 겪었습니다. 이제는 석유 시대에서 재생 에너지 시대로의 전환이 시작되고 있습니다.

19세기 초 석탄이 주요 에너지원이었던 시대부터 20세기 중반 석유가 주요 에너지원이 되기까지, 인류는 200년 넘게 화석 에너지를 대규모로 이용해 왔습니다. 그러나 화석 에너지가 지배적인 세계 에너지 구조는 화석 에너지 고갈이라는 위기를 더욱 가중시키고 있습니다.

석탄, 석유, 천연가스로 대표되는 세 가지 전통적인 화석 에너지 경제 자원은 새 세기에 급속히 고갈될 것이며, 사용 및 연소 과정에서 온실 효과를 일으키고 막대한 양의 오염 물질을 발생시켜 환경을 오염시킬 것입니다.

그러므로 화석 에너지에 대한 의존도를 줄이고, 기존의 비합리적인 에너지 사용 구조를 바꾸며, 깨끗하고 오염 없는 새로운 재생 에너지를 모색하는 것이 시급합니다.

현재 재생에너지는 주로 풍력에너지, 수소에너지, 태양에너지, 바이오매스에너지, 조력에너지, 지열에너지 등을 포함하며, 그중 풍력에너지와 태양에너지는 전 세계적으로 연구의 주요 관심사입니다.

하지만 다양한 재생에너지원의 효율적인 변환 및 저장은 여전히 ​​상대적으로 어렵기 때문에 이를 효과적으로 활용하는 데 어려움이 있습니다.

이러한 맥락에서 인류가 새로운 재생에너지를 효과적으로 활용하기 위해서는 편리하고 효율적인 신에너지 저장 기술을 개발하는 것이 필수적이며, 이는 현재 사회 연구의 주요 관심사 중 하나입니다.

현재 리튬 이온 배터리는 가장 효율적인 이차 전지 중 하나로 다양한 전자 기기, 운송, 항공 우주 및 기타 분야에 널리 사용되고 있지만, 발전 전망은 더욱 불투명합니다.

나트륨과 리튬은 물리적, 화학적 성질이 유사하며 에너지 저장 효과가 있다. 나트륨은 함량이 풍부하고 자원 분포가 균일하며 가격이 저렴하여 대규모 에너지 저장 기술에 널리 사용되며, 저비용 고효율이라는 특징을 가지고 있다.

나트륨 이온 배터리의 양극 및 음극 재료에는 층상 전이 금속 화합물, 폴리아니온, 전이 금속 인산염, 코어-쉘 나노 입자, 금속 화합물, 경질 탄소 등이 포함됩니다.

자연에 매장량이 매우 풍부한 원소인 탄소는 저렴하고 쉽게 구할 수 있어 나트륨 이온 배터리의 양극재로 많은 주목을 받고 있습니다.

흑연화 정도에 따라 탄소 소재는 흑연질 탄소와 비정질 탄소의 두 가지 범주로 나눌 수 있다.

비정질 탄소에 속하는 경질 탄소는 300mAh/g의 나트륨 저장 비용량을 나타내는 반면, 흑연화도가 높은 탄소 소재는 넓은 표면적과 강한 구조적 질서로 인해 상업적 용도에 적합하지 않습니다.

따라서 실제 연구에서는 주로 비흑연계 경질 탄소 소재가 사용됩니다.

나트륨 이온 배터리용 양극 소재의 성능을 더욱 향상시키기 위해 이온 도핑 또는 복합화를 통해 탄소 소재의 친수성 및 전도성을 개선할 수 있으며, 이를 통해 탄소 소재의 에너지 저장 성능을 향상시킬 수 있다.

나트륨 이온 배터리의 음극 소재로는 주로 2차원 금속 탄화물 및 질화물과 같은 금속 화합물이 사용됩니다. 이러한 금속 화합물은 2차원 소재로서의 우수한 특성 외에도 흡착 및 삽입을 통해 나트륨 이온을 저장할 수 있을 뿐만 아니라, 나트륨 이온과 결합하여 화학 반응을 통해 에너지 저장 용량을 생성함으로써 에너지 저장 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

금속 화합물의 높은 비용과 제조의 어려움 때문에 탄소 소재는 여전히 나트륨 이온 배터리의 주요 양극 소재로 사용되고 있습니다.

층상 전이 금속 화합물의 부상은 그래핀의 발견 이후 시작되었습니다. 현재 나트륨 이온 배터리에 사용되는 2차원 소재는 주로 나트륨 기반의 층상 NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 등을 포함합니다.

폴리아니온성 양극 소재는 리튬 이온 배터리의 양극에 처음 사용되었고, 이후 나트륨 이온 배터리에도 사용되었습니다. 대표적인 소재로는 NaMnPO4 및 NaFePO4와 같은 올리빈 결정이 있습니다.

전이 금속 인산염은 원래 리튬 이온 배터리의 양극재로 사용되었습니다. 합성 공정은 비교적 성숙되어 있으며 다양한 결정 구조가 존재합니다.

인산염은 3차원 구조로서 나트륨 이온의 탈삽입에 유리한 골격 구조를 형성하여 우수한 에너지 저장 성능을 갖는 나트륨 이온 배터리를 구현할 수 있습니다.

코어-쉘 구조 소재는 최근에야 등장한 새로운 유형의 나트륨 이온 배터리용 양극 소재입니다. 이 소재는 기존 소재를 기반으로 정교한 구조 설계를 통해 속이 빈 구조를 구현했습니다.

보다 일반적인 코어-쉘 구조 소재로는 속이 빈 코발트 셀레나이드 나노큐브, Fe-N이 공동 도핑된 코어-쉘 바나듐산나트륨 나노구, 다공성 탄소 속이 빈 산화주석 나노구 및 기타 속이 빈 구조가 있습니다.

탁월한 특성과 마법 같은 속이 빈 다공성 구조가 결합되어 더 많은 전기화학적 활성 물질이 전해질에 노출되고, 동시에 전해질의 이온 이동성을 크게 향상시켜 효율적인 에너지 저장을 실현합니다.

전 세계 재생에너지 소비가 지속적으로 증가함에 따라 에너지 저장 기술의 발전이 촉진되고 있습니다.

현재 에너지 저장 방식에 따라 물리적 에너지 저장과 전기화학적 에너지 저장으로 나눌 수 있다.

전기화학 에너지 저장 방식은 높은 안전성, 저렴한 비용, 유연한 사용, 높은 효율성 등의 장점으로 인해 오늘날 새로운 에너지 저장 기술의 발전 기준을 충족합니다.

전기화학 반응 과정에 따라 전기화학적 에너지 저장 장치는 주로 슈퍼커패시터, 납축전지, 연료전지, 니켈-금속 수소화물 전지, 나트륨-황 전지, 리튬 이온 전지로 분류됩니다.

에너지 저장 기술 분야에서 유연 전극 소재는 설계의 다양성, 유연성, 저비용 및 환경 보호 특성으로 인해 많은 과학자들의 연구 관심을 끌고 있습니다.

탄소 소재는 특수한 열화학적 안정성, 우수한 전기 전도성, 높은 강도 및 독특한 기계적 특성을 지니고 있어 리튬 이온 배터리 및 나트륨 이온 배터리용 전극 소재로 유망합니다.

슈퍼커패시터는 고전류 조건에서 빠른 충방전이 가능하며, 10만 회 이상의 충방전 수명을 자랑합니다. 이는 커패시터와 배터리 사이의 새로운 유형의 특수 전기화학 에너지 저장 장치입니다.

슈퍼커패시터는 높은 전력 밀도와 높은 에너지 변환율이라는 특징을 가지고 있지만, 에너지 밀도가 낮고, 자가 방전이 발생하기 쉬우며, 부적절하게 사용할 경우 전해액 누출이 발생하기 쉽다는 단점이 있다.

연료 전지는 충전이 필요 없고, 대용량이며, 비용량이 높고, 비출력 범위가 넓다는 특징이 있지만, 작동 온도가 높고, 가격이 높으며, 에너지 변환 효율이 낮아 상용화 단계에 머물러 있으며 특정 분야에만 사용되고 있습니다.

납축전지는 저렴한 비용, 성숙한 기술, 높은 안전성 등의 장점을 가지고 있어 기지국, 전기 자전거, 자동차, 전력망 에너지 저장 장치 등에 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 환경 오염 등의 단점 때문에 에너지 저장 배터리에 대한 점점 높아지는 요구 조건과 기준을 충족하지 못하고 있습니다.

니켈수소 배터리는 활용성이 뛰어나고 발열량이 낮으며 단일 용량이 크고 방전 특성이 안정적이라는 장점이 있지만, 무게가 비교적 무겁고 배터리 직렬 연결 시 관리에 어려움이 있으며, 특히 단일 배터리 분리막이 녹는 현상이 쉽게 발생할 수 있다는 단점이 있습니다.