알루미늄 이온 배터리의 전기화학 특성 분석표./한국에너지기술연구원 제공
한국에너지기술연구원 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구팀이 목포대학교, UC 버클리대학, 하버드대학과 공동연구를 통해 1분 안에 초고속 충전이 가능한 차세대 알루미늄 배터리의 전하저장 메커니즘 및 핵심 성능을 규명했다.
이를 통해 뛰어난 성능의 알루미늄 배터리도 개발했다.
개발된 배터리는 전체 이온 확산도가 약 2.5배 늘어나 1분 이내 초고속 충전이 가능하다.
1분 30초의 초고속 충전을 4000회 이상 반복해도 98%의 용량 유지율을 나타낼 정도로 수명도 길었다.
이번 기술은 기존 리튬이온배터리의 단점을 보완하고 IT 모바일 디바이스, 웨어러블 디바이스, 전기자동차, ESS 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 보인다.
알루미늄 이용 이차전지는 에너지를 저장하는 최신 기술로 상용 배터리를 대체할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.
알루미늄이 독성과 폭발 위험성이 없고 재활용도 가능하며 조달 가격도 저렴해 수급이 용이하기 때문이다.
문제는 알루미늄 이온 배터리의 메커니즘을 제대로 밝히지 못해 대중화 되지 못하고 있다는 점이다.
연구팀은 메커니즘을 확인키 위해 단결정 그래핀 전극의 층수를 다양하게 변화시킨 온칩-전기화학 셀을 제작했다.
몇 층의 그래핀에서 AlCl4-테트라클로로알루미늄산염 이온의 인터칼레이션 반응이 일어나는지 정확한 단계 수를 분석하기 위한 것이다.
인터칼레이션은 층상구조가 있는 물질의 층간에 원자, 이온이 삽입되는 현상으로 전지 작동의 핵심원리다.
연구팀은 2층(2-layer), 3층(3-layer) 그래핀의 온칩-전기화학 셀에서는 AlCl4-테트라클로로알루미늄산염 이온의 인터칼레이션 반응이 일어나지 않는 반면에 4층(4-layer) 그래핀 전극 소재부터 인터칼레이션 반응이 일어나는 것을 최초로 증명했다.
알루미늄 이온 배터리의 온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하수송 측정을 통해 전극 내부로의 이온 삽입과정을 부반응 없이 직접 조사하고 전극 성능 향상 인자도 도출해 냈다.
연구팀은 기존 열분해 흑연보다 AlCl4-테트라클로로알루미늄산염 이온의 인터칼레이션을 용이하게 하는 그래핀-탄소나노튜브 복합체 양극을 디자인하고 그래핀-탄소나노튜브 복합체 양극의 박리화 현상을 막아 구조적 안정성도 확보했다.
초고속 충전이 가능한 알루미늄 이온 배터리 파우치 셀/한국에너지기술연구원 제공
실험 결과 새로운 알루미늄 이온 배터리 셀은 기존 열분해 흑연보다 60% 향상된 용량을 나타냈다.
이온 확산도가 약 2.5배 증가해 1분 이내의 초고속 충전이 가능하고 1분 30초의 초고속 충전을 4000회 이상 수행해도 약 98%의 용량 유지율을 보였다.
이번 연구는 불명확했던 알루미늄 이온 전지의 전하저장 메커니즘을 규명하고 알루미늄 이온 이차전지가 가질 수 있는 내재적인 성능의 상한범위를 확인했다는 점에서 높은 평가를 받고 있다.
향후 실제 벌크 소재를 활용한 배터리 제작 시 성능 개선을 위한 전극 소재적 접근 방안에 대한 중요한 실마리를 제공할 것으로 보인다.
연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 나노과학기술 분야의 세계적인 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters, IF 11.189)’에 최근 게재됐다.
[저작권자ⓒ 에너지단열경제. 무단전재-재배포 금지]
