리튬대신 칼슘으로 이차전지 만든다

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 리튬 대신 칼슘이온을 이용해 충·방전이 가능한 이차전지용 양극소재를 개발했다. 연구진은 이번 연구성과가 기존에 사용되는 리튬이온전지의 용량과 성능을 개선한 칼슘이온전지의 상용화에 획기적인 지표가 될 것으로 기대하고 있다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학전공 홍승태 교수팀이 칼슘이온전지용 양극소재인 NaV₂(PO₄)₃를 개발했다고 24일 밝혔다.

홍승태 교수는 "탈·삽입 기반의 칼슘이온 이차전지용 양극소재를 개발하고 작동 메커니즘을 최초로 규명했다"고 말했다.

이차전지는 이온이 전자와 함께 양극과 음극을 이동하면서 충전과 방전이 일어난다.

이 때 이동하는 전자의 수와 양극소재의 특성에 따라 배터리 용량과 전압이 결정된다. 리튬은 이온당 한 개의 전자가 같이 이동하지만 칼슘은 이온당 두 개의 전자가 이동한다. 따라서 이론상 리튬이온전지보다 2배의 용량이 가능하며 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다. 또한 지구상에 풍부한 원소인 칼슘을 이용하기 때문에 경제적이기도 하다.

하지만 리튬보다 큰 칼슘의 이온크기와 높은 산화수로 인해 전극물질에 구조적 변형이 발생하게 된다. 이 때문에 칼슘이온의 작동전압을 구현할 수 있는 양극소재의 개선이 필요했다. 양극소재는 방전 시 이온과 전자를 받아주고, 충전 시 이온과 전자를 음극으로 보내는 탈·삽입 과정의 주요 매개체이며, 전자의 작동전압을 결정하는 소재이다.

연구진은 칼슘이온의 특징을 고려해 높은 구조적 안정성을 가진 나시콘 구조(NASICON) 기반의 양극소재인 NaV₂(PO₄)₃를 개발했다.

연구진은 양극소재의 구조 분석과 칼슘의 탈·삽입 메커니즘 분석해 양극소재 구조에 칼슘이온이 탈·삽입 되는 과정에서 발생하는 구조 변화를 규명하면서 높은 용량과 작동전압이 구현 가능함을 증명했다.

홍 교수는 "이러한 작동원리를 적용하면 더욱 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 칼슘이온전지용 양극소재 개발의 지표가 될 것"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 삼성미래기술육성사업을 통해 진행됐으며, 소재화학 분야 국제학술지 '케미스트리 오브 머티리얼즈'에 9월 23일자 온라인판에 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자