포스텍(POSTECH·총장 김무환)은 조창신 철강·에너지소재대학원 교수, 정혜빈 화학공학과 박사과정 연구팀이 킬레이트제를 첨가한 해수전지 우수성을 확인하고 이를 해수전지에 적용하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.
리튬 이온 배터리는 휴대용 전자기기나 자동차 전지에 널리 사용된다. 그러나 폭발 위험이 있고 무엇보다 리튬이 고갈되면 배터리 생산이 불가능한 단점이 있다. 이런 한계를 극복하기 위해 차세대 전지 개발이 활발하게 이뤄지고 있는데 그중 하나가 바닷물을 활용한 '해수전지(Seawater Batteries)'다. 해수전지는 바닷물의 나트륨 이온을 활용해 에너지를 생산하는 전지로 상대적으로 자원 공급이 쉽다는 장점이 있다. 별도 처리 과정 없이 해수를 바로 사용하기 때문에 환경친화적이다.
바닷물이 짠 이유는 나트륨 이온 때문이다. 나트륨 이온이 해수전지 양극과 음극을 오가며 전기 에너지를 생성하고 저장한다. 해수전지 양극재로 사용되는 니켈헥사시아노페레이트(NiHCF)는 제작과정에서 결함이 많이 생기는 문제점이 있다.
연구팀은 이번 연구에서 '킬레이트제를 첨가한 NiHCF(이하 샘플A)'를 합성했다. 그리고 킬레이트제의 효과를 확인하기 위해 샘플A와 '별도 처리 과정을 거치지 않은 NiHCF(이하 샘플B)'를 비교했다.
우선 두 샘플을 현미경으로 관찰해보면 형태와 구조에서 그 차이가 두드러진다. 샘플B는 나노 크기 입자가 무작위로 응집돼 마이크로미터(㎛) 크기 입자가 형성돼 있는 반면 샘플A는 200~300㎚ 크기 정육면체 입자가 개별적으로 형성돼 있다. 입자 자체 크기는 샘플B가 더 작지만 여러 입자가 모여 큰 응집체를 형성하고 있기 때문에 전지 생산에 더 불리하다.
연구팀은 두 샘플의 전기화학적 성능을 비교했다. 먼저 수분 함량을 측정한 결과 샘플A가 B에 비해 수분 함량이 더 낮았다. 일반적으로 수분 함량이 높을수록 전기화학적 성능이 저해된다. 또 전류와 전압 측정을 통해 샘플A의 에너지 효율이 더 높고 용량도 더 큰 사실을 확인했다.
두 샘플을 사용한 각 전지에 대해 학계 최초로 충·방전을 2000회 반복한 결과 샘플A를 사용한 전지가 약 92.8% 높은 용량 유지율을 보였다. 또 NiHCF 단점이었던 결함 생성률도 샘플A에서 6%로 감소함을 확인했다.
연구팀은 이번 연구에서 킬레이트제를 첨가한 NiHCF 그리고 이 NiHCF를 사용한 해수전지 우수성을 확인했다. 이를 바탕으로 활발한 차세대 전지 후속연구가 진행될 것으로 기대하고 있다.
한국연구재단과 한국에너지기술평가원 사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 국제 학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
