일본산업뉴스요약

칼륨이온전지, 실용화에 한 걸음 전진
도쿄이과대학, 정극 재료의 열화 낮춰

도쿄이과대학의 고마바(駒場) 교수 연구팀은 차세대 배터리 중 하나인 ‘칼륨이온전지’에 사용되는 새로운 전해액을 개발했다. 리튬이온전지에서 전해액으로써 사용되는 2종류의 물질을 혼합해 시험해 본 결과 정극 재료의 열화를 낮추는 등 성능 향상을 확인했다. 칼륨이온전지는 리튬이온전지보다 고출력이고 낮은 가격에 만들어낼 수 있는 것으로서 주목 받고 있어, 이번 성과로 실용화에 한 걸음 전진했다고 연구팀은 보고 있다. 연구팀은 쇼와전공(昭和電工)과 협력해 실용화를 목표로 하고 있다.

리튬이온전지는 납 축전지 등 기존의 2차 배터리에 비해 많은 전기를 저장하거나 고전압에서 사용할 수 있는 등의 특징이 있어 전기자동차 등으로의 응용이 추진되고 있다. 하지만 주재료인 리튬은 특정 지역에서 밖에는 산출되지 않아 전극에 희귀금속을 사용하는 경우가 많다. 이 때문에 원재료의 가격이 급등할 경우 영향을 받기 쉽다는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해 보다 손쉽게 확보할 수 있는 소재를 이용한 배터리 개발이 활발하다. 고마바 교수는 리튬 대신 칼륨을 이용하는 축전지 개발을 추진하고 있다.

칼륨이온은 리튬이온에 비해 주변의 분자와 상호작용하는 힘이 작기 때문에 이온이 보다 자유롭게 움직일 수 있다. 이 때문에 저항이 20~30% 적어져 2배 이상의 큰 출력을 낼 수 있을 것으로 기대되고 있다. 칼륨은 쉽게 확보할 수 있는 원소이고 칼륨이온전지의 전극에 철이나 망간 등의 금속을 사용할 수 있어 저렴한 2차전지가 될 가능성이 있다.

한편, 칼륨이온은 리튬이온에 비해 원자의 크기가 커 배터리가 무거워진다는 단점이 있어 크기가 커도 사용에 문제가 없는 고정형 축전지로의 응용이 기대되고 있다.

연구팀은 칼륨이온에 사용되는 전해액을 연구. 리튬이온전지의 전해액으로써 이용되고 있는 것과 비슷한 ‘KPF6’와 ‘KFSA’라고 하는 물질을 전해액으로써 이용하는 것을 검토했다.

이전에도 이 두 가지 물질은 칼륨이온전지용 전해액으로의 이용이 검토되었지만, KPF6만으로는 부극의 힘이 약하고, KFSA만으로는 정극재에 함유되어 있는 알루미늄이 쉽게 열화 되었다.

연구팀은 이 두 가지 물질을 최적의 비율로 혼합했다. 그 결과 정극의 열화가 억제되고 부극의 힘도 강해졌다. 전압을 리튬이온전지의 상한에 가까운 4볼트로 해도 사용이 가능하다는 것을 확인, 실용화 단계에 한 걸음 다가섰다. 또한 충전 시간이 반감될 가능성도 확인했다.

칼륨이온전지는 수명이 짧다는 것이 단점이다. 현재는 최대 약 100회의 충∙방전 밖에는 견딜 수 없는 것으로 보인다. 연구팀은 앞으로 이번에 새롭게 개발된 전해액에 대응하는 최적의 정극 및 부극 재료 등을 연구해나갈 계획이라고 한다.

▶ 리튬이온전지와 칼륨이온전지의 비교

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