국내 연구진이 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 에너지 저장 기술로 주목받는 칼륨 이온 배터리용 음극재 개발에 성공했다.
아주대학교(총장 최기주)는 황종국 화학공학과 교수와 동국대학교 임은호 화공생물공학과 교수 공동 연구팀이 메조다공 구조(내부에 다수의 기공(구멍)을 포함하는 구조. 기공 크기 2~50나노미터(nm))를 정밀하게 조절한 하드카본 음극재를 개발했다고 27일 밝혔다.
연구팀은 메조다공 구조가 칼륨 이온 저장과 이동에 미치는 영향을 체계적으로 분석해, 기존 대비 약 30% 향상된 용량과 출력 성능을 구현했다. 또 2만 회 충·방전 이후에도 86%의 용량 유지율을 기록하며 뛰어난 안정성과 수명을 입증했다.
칼륨은 지구상에 풍부하게 존재하며 리튬보다 저렴하고 채굴이 용이해 지속 가능한 배터리 기술의 유망한 대안으로 평가받는다. 그러나 칼륨 이온의 크기가 리튬 이온보다 커 기존 음극재로 사용되던 흑연에서는 수명과 안정성이 크게 저하되는 문제가 있었다.
이에 연구팀은 흑연보다 구조적 안정성이 높은 하드카본(탄소 원자가 불규칙하게 배열된 비정질 구조를 가진 소재)을 활용했으며, 메조다공 구조를 도입해 칼륨 이온 저장 활성점을 증가시키고 확산 거리를 단축시켜 성능을 크게 개선했다.
연구팀은 개방형 메조다공성 하드카본과 폐쇄형 메조다공성 하드카본 두 가지 모델을 합성해 비교 실험을 진행했다. 그 결과, 개방형 구조가 칼륨 이온의 저장 용량과 출력 특성을 효과적으로 향상시키는 데 기여함을 확인했다.
황종국 교수는 “이번 연구는 하드카본 음극재의 구조와 성능 간 연관성을 규명한 중요한 성과”라며 “칼륨 이온 배터리는 물론 나트륨 이온 배터리 등 차세대 에너지 저장 소재 개발에도 폭넓게 응용될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 국제 저명 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 1월호' 표지 논문으로 게재됐다.
수원=김동성 기자 estar@etnews.com
