일본산업뉴스요약

칼륨배터리 현실로
충전 속도는 빠르게, 가격은 저하

대용량, 대출력의 차세대 배터리로 기대를 모으고 있는 칼륨이온 배터리가 실현을 향해 움직이기 시작하였다. 도쿄이과대학(東京理科大学)의 고마바(駒場) 교수가 최근 실제로 충∙방전 가능한 배터리를 시작(試作)하였다. 주류인 리튬이온 배터리와 비교하여 충전 속도는 10배 이상 빨라지고, 가격 하락도 기대된다.

고마바 교수가 개발한 칼륨이온 배터리는 부극(負極) 소재로 흑연, 정극(正極)에는 철계(鐵系)의 Prussian blue를 사용한다. 정극의 용량은 1g 당 141밀리암페어(mA) 시(時), 부극은 250mA 시이며, 전압은 리튬이온 배터리와 동일한 4볼트다. 배터리의 에너지 밀도는 1kg 당 200와트시(Wh) 근처이며, 리튬이온 배터리와 비교해도 그렇게 나쁘지 않는다. 400회의 충∙방전을 반복해도 부극의 성능은 떨어지지 않았다.

칼륨은, 리튬이나 나트륨과 같은 알칼리 금속이라 불리는 원소의 하나다. 리튬의 경우는 채취할 수 있는 장소가 한정되어 있는 데 반해, 칼륨은 이미 새로운 축전지 개발이 진행된 나트륨과 함께 얻기 쉬운 배터리 재료로 기대를 받고 있다. 그러나 전극에 사용할 수 있는 재료가 적어, 본격적인 칼륨이온 배터리는 지금까지 실현되지 못했다.

고마바 교수는 Prussian blue가, 칼륨이온을 받아들이는 데 적합한 크기의 구멍을 갖고 있다는 것을 발견하고 정극을 개발하였다. 이미 개발하고 있었던 흑연의 부극이나 칼륨이온을 녹이는 순도 높은 전해액과 조합하여 칼륨이온 배터리를 실현하였다.

칼륨이온은 리튬이온과 비교하여 쉽게 움직이기 때문에, 배터리로 만들면 대전류를 내보내기 쉽고 충∙방전도 빠르다. 한편으로 이온이 크기 때문에, 리튬이온 배터리와 같이 소형경량화는 어렵다. 이 때문에 풍력발전 등의 전기를 모으는 거치형 축전지 용도가 기대된다. 전기자동차용이라면 강력한 파워가 요구되는 스포츠카에 적합하며, 충전시간도 대폭으로 짧아진다.

단 이미 리튬이온 배터리가 널리 보급되어 있는 만큼, 칼륨이온 배터리가 시장에 받아들여지기 위해서는 리튬을 크게 커버하는 이점이 필요하다.「비용이나 안전 면에서 특징을 나타낼 수 있다」라고 고마바 교수는 기대하고 있다.

비용 면에서 큰 것은 전극재료다. 정극은 Prussian blue를 바탕으로 철계(鐵系) 콤플레스(Complex)의 개량이 유망하지만, 원래는 파란 연필심으로 사용되는 재료다. 코발트 등 고가 재료를 많이 사용하는 리튬이온 배터리와 비교하여 가격은 싸진다. 또한 리튬이온 배터리의 경우는 부극에 동(銅) 박막을 부착하지만 그럴 필요도 없다.

이온이 쉽게 움직이기 때문에 전극을 짧게 할 수 있다. 리튬이온 배터리 제조비용에서 전극이 차지하는 비율은 40% 정도이며, 비용 삭감 효과는 크다고 볼 수 있다.

안전 면의 이점은 리튬이온 배터리와 비교하여 쉽게 발화되지 않는다는 점을 들 수 있다. 리튬이온 배터리는 일정한 전압 이하가 되면 결정화하여 쇼트를 일으켜 발화할 위험이 있다. 칼륨이온 배터리는 금속이 결정화할 위험이 있는 전압까지의 전위차가 리튬의 2배이며, 그만큼 발화하기 어렵다. 칼륨의 용해온도가 섭씨 64도로 낮은 점도 발화 위험을 낮추는 요인이다.

리튬이나 나트륨 이온 배터리와 비교하여, 부극의 전위를 낮출 수 있다는 점도 이점이라고 할 수 있다. 전위차를 이용하여 전압을 높게 할 수 있기 때문에, 에너지 밀도가 높아져 보다 많은 전기를 모을 수 있게 된다.

도쿄이과대학의 개발을 시작으로, 지금까지 거의 손대지 않았던 칼륨이온 배터리 개발에 착수하는 연구자나 기업도 늘어날 것 같다. 도쿄이과대학은 리튬이온 배터리 등에서 실적이 있는 Showa Denko(昭和電工)와 협력하여, 거치형을 10년 이내에 실용화할 목표를 갖고 있다. 거치형은 장기간 사용이 중요하기 때문에「10년 정도의 수명이 목표」(고마바 교수)라고 말한다.

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