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| ↑↑ 왼쪽부터 DGIST 에너지공학과 이호춘 교수와 강석범 학위연계과정생. DGIST 제공 |
| DGIST(총장 국양) 에너지공학과 이호춘 교수 연구팀이 고전압 및 고에너지 밀도 포타슘 배터리에 적용 가능한 설폰(sulfone) 화합물 기반의 유기-결정성 고체 전해질 기술을 개발했다고 밝혔다.
포타슘은 일반적으로 칼륨 알려져 있는데, 이를 이용해 만들어진 배터리는 포타슘 원소의 풍부한 양과 포타슘의 낮은 환원 전위 덕분에 리튬 이온 배터리의 뒤를 이을 차세대 배터리로 각광받고 있다. 그러나 기존에 포타슘 배터리에 사용되는 카보네이트 계열 전해질은 전기화학적 안정성이 매우 낮을 뿐 아니라 불에도 잘 붙는 가연성 물질이라서 이를 활용하기에는 한계점이 존재했다.
하지만 이호춘 교수 연구팀이 이번에 개발한 포타슘 배터리 전고체 전해질 기술은 기존의 카보네이트 전해질이 갖는 단점을 극복한 고체 전해질 기술로 평가 받는다. 디메틸설폰(Dimethyl sulfone)을 포함하는 설폰 화합물 기반의 유기-결정성 고체 전해질(Sulfone-based crystalline organic electrolyte, SCOE)은 높은 전류(0.7 mS/cm)를 흐르게 하면서, 우수한 전기화학 안정성(5.8 V vs. K+/K)을 갖고 있으며, 불에 잘 타지 않는 난연성을 확보했다. 뿐만 아니라 고체전해질을 높은 온도로 가열해 녹인 뒤 양극 활물질에 붓는 과정인 용융주조공정(Melt-casting process)을 통해 고체전해질과 양극 활물질 간의 치밀한 계면 접촉을 형성할 수 있었다.
특히 칼륨 이온 전지용 양극활물질 중에 하나인 KVPO4F 양극재를 포함한 5V 고전압 배터리에 SCOE를 전해질로 사용한 결과, 100회 이상 성공적으로 충방전 됐으며 높은 용량 유지율(88.8%)과 쿨롱효율(99.6%)을 보였다. 그에 반해, 카보네이트 전해질을 포함한 배터리는 포타슘 금속 전극과 심각한 부반응 및 포타슘 수지상 성장(Dendrite growth)을 일으켰으며, 낮은 용량 유지율(77.6%) 및 쿨롱효율(92%)을 보여주었다.
한편 이번 연구는 DGIST 에너지공학과 홍승태 교수팀과 공동으로 진행됐으며, 화학공학분야의 저명 국제 학술지 중의 하나인 'Chemical Engineering Journal'에 4월13일 온라인으로 출판됐고, 학술지에는 9월1일에 게재될 예정이다. 해당 논문은 DGIST 에너지공학과 강석범 학위연계과정생이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구실 지원사업(Basic Research Laboratory, BRL)의 지원을 받아 수행됐다.
황보문옥 기자 |
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