표명호 교수 연구팀, 비대칭 전해질 이용한 수계 칼륨이차전지 개발

고안전성 수계 이차전지 개발 기대…풍부한 칼륨 기반해 자원고갈 및 원가 경쟁력 자유로울 것

표명호 교수팀의 연구 결과. (첫 번째 그림) 비대칭음이온의 칼륨염인 KCTFSI 는 고유한 수용액 구조를 가지며 (두 번째 그림) 고농도 수용액 및 넓은 전압창을 갖게 됨. (세 번째 그림) 이로 인해 KCTFSI 수용액을 적용한 이차전지는 고전압 충방전 특성을 갖게 되고 (사진) 저온에서도 충방전 특성이 유지됨./사진제공=한국에너지공과대학교

한국에너지공과대학교(이하'켄텍')는 표명호 교수 연구팀이 비대칭 이미드 칼륨염의 높은 용해도를 활용해 수용액에 기반한 높은 전압 안정성을 갖고 저온에서도 구동 가능한 칼륨이차전지를 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다.

기존의 유기용매 전해질에 기반한 리튬 이차전지는 화재 및 폭발 위험성이 높지만 수용액에 기반한 이차전지는 전고체전지와 더불어 이를 근본적으로 해결할 수 있는 방법으로 기대된다.

그러나 수계 이차전지에서는 물 분해로 인한 낮은 전압 안정성을 해결키 위해 고농도 염 수용액을 사용해야 하고 칼륨염의 경우 이에 도달할 수 있는 종류가 극히 제한적일 뿐 아니라 알려진 염들도 실제 칼륨이차전지 적용에는 많은 문제점을 갖고 있다.

이번 연구에서는 기하학적으로 비대칭성을 갖는 음이온의 칼륨염인 KCTFSI가 고농도까지 용해될 수 있음을 발견하고 고농도 메커니즘을 규명했다. 또, 해당 수용액의 전압 안정성이 3.5V 이상에 이르며 저온에서도 결정화되지 않음을 확인했다.

KCTFSI를 적용한 수계 칼륨이차전지는 상온에서 우수한 전지 특성을 보이며, 저온(영하 15℃)에서도 해당 충방전 특성이 장기간 유지됨을 최초로 확인됐다.

표명호 교수./사진제공=한국에너지공과대학교

표 교수는 "이번 연구 결과는 수계전해질을 이용한 실용성 있는 이차전지 개발에 중요한 단서를 제공할 것이다"며 "지구상에 풍부한 칼륨을 기반으로 하기 때문에 자원 고갈 문제 및 원가 경쟁력에서도 자유로울 것이다"고 말했다.

이번 연구는 과기부 산하 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구는 표 교수와 손기선 세종대 교수의 공동연구로 진행됐으며, 곽준섭 켄텍 교수, 박운배 순천대 교수 등이 공동 저자로 참여했다. 연구 결과는 Wiley 사의 국제학술지 Advanced Energy Materials 온라인에 지난달 31일 게재됐다.

나주(전남)=나요안 기자 lima68@mt.co.kr