‘알루미늄 이온 배터리’ 전극 활성물질로 유기화합물 활용
가격 대비 높은 에너지 수확이 기대되는 재충전 알루미늄 이온 배터리 현실화에 한걸음 다가서는 연구결과가 나왔다.
호주 시드니 UNSW대학 김동준(Dong Jun Kim) 박사 팀은 유기화합물 알루미늄 이온 배터리가 미래의 재생 가능한 에너지 저장 장치로 사용될 가능성이 있음을 제시했다.
미국 일리노이주 노스웨스턴 대학교(Northwestern University)에서 완료해 네이처 에너지(Nature Energy)에 3일 발표된 연구에서 김동준 박사(UNSW 화학대학)는 노벨상 수상자 프레저 스토달트(Fraser Stoddart)을 포함한 연구팀을 이끌고 재충전 알루미늄 배터리 활성물질 설계 전략을 제시했다.
지금까지 복합 알루미늄 이온 삽입을 위한 적절한 호스트 전극을 찾는 것이 근본적인 과제였다. 김 박사는 “우리는 활성 물질로 산화환원반응 마크로사이클 화합물을 사용해 재충전 알루미늄 배터리를 설계하는 새로운 방법을 발견했다”고 말했다.
김 박사와 연구팀은 에너지를 저장하는 배터리의 일부로 흑연 플레이크와 혼합한
삼각 페난트렌퀴논 기반(triangular phenanthrenequinone-based) 마크로사이클 유기 화합물을 사용했다.
김 박사는 “논문에서 논의된 연구가 알루미늄 이온 배터리를 설계하는 새로운 접근법을 열 것이라고 믿는다. 차세대 전기화학에너지 저장장치를 연구하는 과학자들에게 흥미로운 일이 될 것”이라고 말했다.
리튬 이온 배터리는 모바일 전자 디바이스에 큰 성공을 거두었지만, 재생 에너지 애플리케이션에서는 제한된 사이클 수명, 안전 문제 및 상대적으로 높은 비용으로 어려움을 겪고 있다.
반면에 알루미늄 이온 전지는 알루미늄이 산소와 실리콘 다음가는 지구 표면에서 세 번째로 가장 풍부한 원소이기 때문에 이 분야 연구에서 이상적인 후보로 여겨져 왔다. 또한 알루미늄은 다중 산화환원 상태( redox states)로 인해 이론적인 용적 용량이 가장 큰 것 중 하나이다.
김 박사는 “알루미늄을 사용한 배터리 개발은 높은 에너지 대 가격 비율을 제공한다는 많은 기대를 받아왔다”며 “우리의 결과는 유망한 배터리 성능을 보여 주었지만, 초기 단계다. 모든 측면에서 훨씬 더 향상시킬 필요가 있다. 기존의 리튬 이온 배터리 시스템과 비교해 보면 아직 큰 의미가 없다”고 설명했다.
이어 그는 “알루미늄, 마그네슘, 아연 및 칼슘과 같은 다가이온 인터칼레이션(multivalent-ion intercalation) 배터리에 산화 환원 활성 유기 분자를 활용하는 것에 대한 추가 연구가 기대된다”며 “다른 원소를 사용할 가능성을 조사하면서 알루미늄 이온 배터리를 계속 연구 할 것”이라고 말했다.
인터칼레이션이란 양극재나 음극재의 결정구조 내로 리튬 이온이 삽입되는 현상을 말한다.
* 논문제목 :Rechargeable aluminium organic batteries
* 저자 : Dong Jun Kim, Dong-Joo Yoo, Michael T. Otley, Aleksandrs Prokofjevs, Cristian Pezzato, Magdalena Owczarek, Seung Jong Lee, Jang Wook Choi & J. Fraser Stoddart
에너지, 전기, 환경 에디터.
