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50 공업화학 전망, 제24권 제2호, 2021
KAUST-Stanford 대(King Abdullah University of Science and Technolog-Stanford University): 전통적 산화전극을 사용하지 않는 아연 이온 배터리를 통해 더 작고 가벼우며, 더 높은 에너지 밀도의 배터리 구현
표준 금속 배터리는 산화전극으로 리튬, 나트륨 또는 아연과 같은 금속 층이 포함되어 있으나, 비용, 안 전성 및 원자재 조달에 대한 우려로 인해 문제가 되고 있다. 이에 대한 대안으로 최근 금속 산화전극을 환 원 전극과 전해질에 통합해 크기와 무게를 함께 줄이려는 시도가 진행되고 있다. 그 일환으로 최근 KAUST (King Abdullah University of Science and Technology)-스탠포드 공동 연구팀은 표준 금속(아 연) 환원전극을 사용하지 않고 상대적으로 높은 에너지 밀도를 제공하는 개념의 충전식 아연이온 배터리를 개발했다.
공기 중에서 안정하고 수성 전해질과 호환되는 아연은 가연성 유기 전해질을 사용하는 리튬 및 나트륨보 다 충전식 배터리에 대해 저렴하고 더 안전하다. 또한, 많은 충전식 아연 기반 배터리에서 두꺼운 아연 금속 은 아연 이온의 양극 및 소스 역할을 한다. KAUST의 Husam N. Alshareef 교수는 “문제는 실제로 소량의 아연만을 사용하는 것 ”이라며, “여분의 아연을 통해 배터리 충전 및 방전의 비효율성과 배터리 비용 증가를 초래한다. ”고 했다. 이러한 배경을 바탕으로 KAUST와 스탠포드대의 공동 연구팀은 아연 금속 양극을 완전 히 제거 후, 산화망간으로 만들어진 환원전극에 아연 이온을 미리 로드하고 전해질에 아연을 포함한 새로운 전극을 구성하였다. 본 배터리의 충전 시, 금속 아연은 아연 양극에 증착되는 대신 탄소로 코팅된 구리 집전 체에 형성된다. 연구진은 제작된 배터리의 에너지 밀도가 135 Wh kg
-1이므로, 아연 양극이 배터리 무게의 20%를 차지하는 일반적인 아연 이온 배터리(81 Wh kg
-1) 대비 67% 정도 높은 단위 중량당 에너지 밀도 구현이 가능하다고 주장하였다. Alshareef 교수는 “본 연구는 매우 간단해 보이는 솔루션에 기반했으나, 충 방전 중 발생할 수 있는 수상 돌기 방지를 위해 많은 문제해결 시도를 진행했다 ”고 밝혔다.
KAUST 팀의 일원인 Yunpei Zhu 박사는 “산화전극이 없는 배터리 전체에서 차지하는 아연의 양은 매우 제한적 ”이나, “원치 않는 반응으로 인해 매 충전-방전 동안 소량의 아연이 손실되므로, 전해질 개선을 통 한 사이클링 안정성 개선 연구를 진행 중” 이라고 했다.
연구성과는 미국화학회의 Nano Lett. 온라인판에 게재되었다(Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.
nanolett.0c04519)
KIC News, Volume 24, No. 2, 2021
KIC News, Volume 24, No. 2, 2021
