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2018/12/10 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자 중요기사

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[이달의 연구자] 선양국 교수(에너지공학과)

신개념 에너지 저장 장치를 구현하다.

김민지

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/fR7o

내용

심각한 환경문제로 인해 에너지 저장 장치(전지) 개발은 전세계적인 화두다. ‘리튬 이온 전지’는 휴대용 전자기기 및 전기 자동차의 주된 에너지 저장원으로 사용된다. 그러나 리튬 사용량 증가로 인해 향후 리튬의 제한된 보급률 및 급격한 가격 상승이 예상돼 리튬을 대체할 수 있는 신규 에너지 저장 장치 개발이 시급한 실정이다. 현재 선양국 교수(에너지공학과) 연구팀은 ‘소듐’에 이어 ‘포타슘 이온 전지’ 소재를 활용한 새로운 에너지 저장 장치 합성 방법을 실험 중에 있다.

 
신 에너지 저장 장치 ‘포타슘 이온 전지’

선양국 교수(에너지공학과)와 황장연 박사(에너지공학과)가 연구 중인 ‘포타슘 이온 전지’는 포타슘 이온을 포함하는 고전위 산화물 기반 양극, 포타슘 이온을 저장하는 저전위 탄소 기반 음극, 그리고 포타슘 이온을 전달하는 비수용액계 전해질과 분리막으로 구성돼 있다. 포타슘은 풍부한 매장량과 낮은 환원 전위 특성을 가진다. 리튬을 사용할 때와 충∙방전 매커니즘이 비슷해 현재 보편적으로 사용하는 리튬 이온 전지보다 더 나은 성능을 가진 대체물로서 가장 유망한 후보로 각광받고 있다.
 
▲ 선양국 교수 연구팀이 개발한 양극 소재인 'K0.69CrO2' 와 기존 문헌에 보고된 포타슘 이온전지 양극 소재들 간의 충/방전 특성 비교. 개발된 소재는 기존 소재들 대비 월등한 충∙방전 횟수를 나타낸다.

하지만 리튬 대비 상대적으로 큰 포타슘 이온의 크기(Li : 0.76 Å vs K : 1.38 Å)는 양극 소재의 합성을 어렵게 해 전기화학반응을 일으키기 쉽지 않다. 원소 주기율표 상으로 볼 때 리튬, 소듐, 포타슘 순으로 알칼리가 내려가면서 이온의 크기가 커진다. 부피와 무게가 커짐에 따라 전지 안으로 이온 저장이 힘들어 발현하는 에너지의 양도 적어진다. 또한 포타슘이 공기 중에서 물이나 산소에 반응성이 높기 때문에 더욱 합성이 어렵다. 이 특성은 충전과 방전이 계속되면서 소재에 손상마저 입힌다. 이러한 이유로 포타슘 이온 전지용 양극 소재 개발이 제한돼 왔다. 그러나 선 교수는 이러한 한계점들을 극복하면 전지의 에너지 양을 대폭 향상할 수 있을 것이라고 생각했다.
 
▲ 선양국 교수(에너지공학과)의 연구 분야는 소듐 이온 전지와 포타슘 이온 전지다. 자원량이 한정적인 리튬으로 만든 이온 전지와 달리 소듐과 포타슘은 매장량이 풍부해 리튬의 대체제로 사용될 가능성이 높다. (사진 선양국 교수 제공)

결합을 통한 탁월한 소재(K0.69CrO2) 개발

“포타슘만으로 이뤄진 전지는 성능이 그다지 좋지 않다”며 "실제 사용할 수 있는 좋은 성능의 전지는 소듐과 포타슘의 결합으로 만들어진다"고 말했다. 결합에 대한 다양한 접근이 이루어져 왔으나 하지만 여전히 이론에 의존도가 높고, 실험적으로 소재를 합성하더라도 그에 따르는 어려움이 적지 않다. 따라서 선 교수 연구팀은 포타슘보다 상대적으로 반응성이 적은 소듐으로 만든 기존 양극 소재들을 이용하기로 했다. 이 합성법에는 전기화학 이온 교환 전지가 사용되는데 양극에 소듐이온전지용 양극을, 음극에 포타슘 메탈을 사용하여 전기화학적으로 양극 소재내에서 소듐 이온을 모두 제거하고 대신 포타슘 이온을 삽입한다.

실제로 이러한 방법을 통해  합성된 포타슘 기반의 양극 소재(K0.69CrO2)는 구조적으로 매우 안정돼 실제 1000회까지 사용이 가능했다. 이 양극 소재는 초기에 발현한 용량의 65%에 달하는 우수한 수명 유지율과 12분 내 고속 충∙방전이 가능하다는 이점도 있다.선 교수는 “양극 소재를 개발하는 관점에서 포타슘 이온을 더 효과적으로 저장하고 충∙방전 시 구조가 손상되지 않는 것이 연구의 목표”라고 말했다.
 
▲ 선양국 교수는 현재 연구진과 함께 계속해서 포타슘 이온 전지를 연구 중이다. (사진 선양국 교수 제공)

에너지 공학과 연구팀은 향후 포타슘 양극 소재 개발 연구의 새로운 발판을 마련했다. 선 교수는 이론적으로만 연구했던 분야를 실험적으로 가능함을 보였다. 포타슘 이온 전지가 갖는 소재로 다양한 부재를 해결할 새롭고 쉬운 소재 합성법을 제시한 것이다. 선 교수는 “현재는 크롬(Chromium)을 전이금속으로 한 소재를 사용했지만 해당 합성법은 크롬이 아닌 어떠한 전이금속으로도 결합해 사용이 가능하도록 개발했다”며 “검증된 합성법으로 향후 포타슘 이온 전지용 양극 소재 개발에 대한 더 많은 가능성과 정보를 줄 수 있는 연구”라고 덧붙였다.


글/ 김민지 기자            melon852@hanyang.ac.kr
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