 알루미늄 배터리 전하 저장 메커니즘 규명 에너지연, 속도·용량·안정성 잡은 알루미늄 배터리 개발 리튬 이온 배터리는 타 배터리에 비해 가볍고, 높은 에너지 밀도로 고용량, 고효율 구현이 가능하다. 하지만 짧은 수명과 긴 충전 시간, 폭발의 위험성, 그리고 리튬의 희소성에 따른 가격 변동성이 잦고 크기 때문에 리튬 이온 배터리의 대안을 찾으려는 노력과 연구가 계속되고 있다. 이러한 가운데 국내 연구진이 리튬 자체를 사용하지 않는 이차전지 개발에 관심을 두고 알루미늄 이차전지 연구에 성공해 눈길을 모으고 있다.
정리 최종숙 기자 자료 한국에너지기술연구원
알루미늄은 비교적 풍부한 자원으로 자원 고갈의 문제가 없기에 가격도 저렴하고 안정성까지 뛰어나다. 인화성이 낮아 대기 중에서 처리가 가능해 배터리 제조 프로세스에도 용이하다. 이에 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’)은 공동연구로 그래핀/탄소나노튜브 복합 전극을 활용해 1분 이내 초고속 충전이 가능한 고성능 알루미늄 배터리를 개발했다.1)
이 연구에 참여한 연구팀은 에너지연 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구진과 목포대학교 유충열 교수를 비롯해, UC 버클리 대학(UC Berkeley, 미국), 하버드 대학(Harvard University, 미국) 등의 연구진이다. 연구팀은 이번 공동연구를 통해 초고속 충전이 가능한 차세대 알루미늄 배터리의 전하 저장 메커니즘과 그 핵심 성능을 규명했다고 밝혔다. 또한 이를 통해 그래핀/탄소나노튜브 복합 전극을 이용한 초저가, 초고속 충전, 장기간 사용이 가능한 고성능 알루미늄 배터리를 개발했다.
알루미늄은 독성과 폭발 위험성이 없고 재활용할 수 있으며, 지구상에서 3번째로 많은 원소다. 따라서 가격이 저렴해 수급이 용이한 장점이 있다. 알루미늄 이온을 사용하는 알루미늄 이차전지는 에너지를 저장하는 최신 기술 가운데 하나다. 지금의 상용 배터리를 대체할 수 있는 안전한 대안으로 주목받고 있다.
이렇게 알루미늄과 같이 새로운 소재가 도입된 차세대 배터리의 경우, 기본적인 전기화학 반응 과정을 이해하는 것이 배터리 성능을 높이는 데 필수적이다. 하지만 알루미늄 이온 배터리의 메커니즘은 종전까지 명확하게 밝혀지지 않은 영역이었다.
안정적인 인터칼레이션 반응 이에 연구진은 전기화학 셀 제작을 통해 실시간 전하 수송 측정 및 광학 현미경 분석을 통해 명확하게 규명했다. 알루미늄 이온 배터리의 메커니즘을 확인하기 위해 단결정 그래핀 전극의 층수를 다양하게 변화시킨 온칩-전기화학 셀을 제작해, 몇 층의 그래핀에서 테트라클로로알루미늄산염(AlCl4-) 이온의 층상구조가 있는 물질의 층간에 원자, 이온이 삽입되는 현상으로, 전지 작동의 핵심 원리인 인터칼레이션 반응이 일어나는지 정확한 단계 수를 분석한 것이다.
연구진은 2층(2-layer), 3층(3-layer) 그래핀의 온칩-전기화학 셀에서는 AlCl4- 이온의 인터컬레이션 반응이 일어나지 않는 반면, 4층(4-layer) 그래핀 전극 소재부터 인터칼레이션 반응이 일어나는 것을 최초로 증명했다. 또한, 알루미늄 이온 배터리의 온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하 수송 측정을 통해, 전극 내부로의 이온 삽입과정을 부반응 없이 직접 조사할 수 있었으며, 관찰 결과를 기반으로 전극 성능 향상 인자를 도출했다.
이를 바탕으로 연구진은 기존의 열분해 흑연보다 AlCl4- 이온의 인터칼레이션을 용이하게 하는 그래핀/탄소나노튜브 복합체 양극을 디자인했다. 그래핀/탄소나노튜브 복합체 양극은 열분해 흑연에 비해 그래핀의 층간 간격을 이온의 층간삽입이 용이하게 벌려주는 동시에 지나치게 벌어지면서 발생할 수 있는 박리화 현상은 막아줘 구조적 안정성을 확보했다.
싸고 안전하며 출력·수명 모두 우수 연구진이 개발한 그래핀/탄소나노튜브 복합 양극을 활용해 만든 알루미늄 이온 배터리 셀을 성능 평가한 결과, 기존 열분해 흑연보다 60 % 향상된 용량을 나타냈다. 또한 전체 이온 확산도가 약 2.5배 증가해 1분 이내의 초고속 충전이 가능하며, 1분 30초의 초고속 충전을 4,000회 이상 수행해도 약 98 %의 용량 유지율로 뛰어난 장수명 특징을 보였다.
알루미늄 이온 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 안전성이 뛰어나고, 가격이 저렴하며, 장수명 특성과 초고속 충전이 가능한 장점이 있지만, 에너지 밀도는 여전히 리튬 이온 배터리에 비해 낮은 수준이다. 이를 개선하기 위해 연구진은 알루미늄 이온 배터리의 에너지 밀도 향상을 위한 연구를 계속 진행 중이다. 또한, 본 연구에서 확인한 알루미늄 이온 배터리의 내재적인 성능 상한치에 도달할 수 있도록 추가적인 소재 엔지니어링을 통해 배터리 성능 개선을 위한 연구가 다음 과제로 남아있다. 이와 더불어 초박형 플렉서블 알루미늄 이온 배터리 개발을 통해 웨어러블 디바이스의 전원 소자로 적용하는 연구를 진행할 계획이라고 연구진은 밝혔다.
더불어 연구진은 신규 2차원 이종 다층 구조 소재 개발을 통해 고성능 에너지 저장 소재를 개발을 목표로 연구를 진행 중이다. 2차원 이종 다층 구조를 갖는 에너지 저장 소재의 성능향상에 대한 원리는 최근 조금씩 밝혀지고 있지만, 아직 이종 계면 구현을 통한 성능향상은 원리가 아직도 명확하게 규명되지 않고 있다. 따라서, 2차원 이종 다층 구조 에너지 저장 소재 및 소자에 대한 후속 연구를 진행 중이다.
이번 연구의 성과는 국내에서 초저가, 고안전성, 고출력 및 장수명 특성을 갖는 차세대 에너지 저장소자인 알루미늄 이온 배터리의 핵심 원천 기술을 확보하게 된 것이 크다. 또한 알루미늄 이온 배터리는 기존 리튬이온배터리의 단점을 보완할 수 있을 것으로 기대되며, IT 모바일 디바이스, 웨어러블 디바이스, 전기자동차, ESS 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
에너지연 윤하나 박사는 “그동안 불명확했던 알루미늄 이온 전지의 전하 저장 메커니즘을 규명함과 동시에 알루미늄 이온 이차전지가 가질 수 있는 내재적인 성능의 상한범위 확인이 가능했다”고 말하고, “이는 실제 벌크 소재를 활용한 배터리 제작 시 성능 개선을 위한 전극 소재적 접근 방안에 대한 중요한 실마리를 제공했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 연구 성과의 의의를 밝혔다. 또, 목포대 유충열 교수는 “온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하수송 측정을 통한 인터칼레이션 메커니즘 분석은 전극 내부로의 이온 삽입과정을 부반응 없이 직접 조사할 수 있으며, 미세한 삽입 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공해 줄 수 있다”고 설명하며, “추가적인 소재 엔지니어링을 통해 배터리 성능의 획기적인 개선이 가능할 것”이라며 기대를 내비쳤다.
1) 이번 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 나노과학기술 분야의 학술지인 〈나노 레터스〉(Nano Letters)에 게재됐다. 논문 제목은 “Chloroaluminate Anion Intercalation in Graphene and Graphite: From Two-Dimensional Devices to Aluminum-Ion Batteries”이다. 이 연구는 에너지연 기본사업과 국제 공동연구 프로그램, 산림청 산림과학기술개발사업, 농림축산식품부의 기획평가원 지원사업, 과학기술정보통신부 기본연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
<Energy News>
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