[뉴테크] 화재 위험 확 낮춘 칼륨전지…산업계도 차세대 전지로 주목

중국 동북대 연구진, 칼륨전지용 양극재 개발
美·中 기업 연이어 칼륨전지 상용화 계획 발표

미국 에너지저장장치 기업 그룹원이 지난 7월 공개한 원통형 칼륨전지. 칼륨전지는 리튬전지에 비해 저렴하다는 장점이 있으나, 화재 위험성이 높아 상용화가 어렵던 상황이다./그룹원

전기차 화재 사고가 잇따라 발생하면서 전지(배터리) 안전에 대한 관심이 커지고 있다. 액체 전해질을 없애 화재 위험성이 낮은 전고체전지가 주목받고 있지만, 낮은 성능과 비싼 가격으로 상용화까지는 갈 길이 멀다. 중국 과학자들이 저렴한 배터리의 화재 위험성을 대폭 낮춰 상용화 가능성을 높였다.

류옌빈 중국 동북대 교수 연구진은 “덴드라이트의 성장을 원천 차단해 화재 위험성을 낮춘 칼륨전지용 전극을 개발했다”고 20일 밝혔다. 덴드라이트는 배터리 양극에 쓰인 금속이 나뭇가지 모양의 결정으로 자란 것을 말한다.

칼륨은 지구에서 흔한 금속이면서도 리튬과 비슷한 수준의 에너지 밀도를 낼 수 있다. 칼륨의 가장 큰 장점은 저렴한 가격이다. 광산에서 채굴해야 하는 리튬과 달리 바닷물에도 풍부해 환경오염 문제에서도 자유롭다. 문제는 바늘처럼 뾰족한 덴드라이트가 양극과 음극 사이 분리막을 파괴하기 쉽다는 점이다. 이러면 양극과 음극이 만나 쇼트를 일으키고 높은 열과 함께 화재를 일으킨다.

중국 연구진은 덴드라이트가 만들어지지 않는 칼륨전지용 양극 소재를 개발해 이 같은 문제를 해결했다. 칼륨과 불소(플루오르) 합금에 아연을 결합해 만든 전극은 덴드라이트 성장을 억제하는 동시에 높은 전기전도도와 이온전도도를 보였다.

칼륨과 불소 합금은 기존 양극소재보다 강한 ‘전자 터널링 효과’를 낸다. 전자 터널링 효과는 전자가 물리적으로 넘을 수 없는 경계를 통과하는 현상을 말한다. 전자 터널링 효과가 크면 전극 표면에서 금속 이온이 성장하지 않고 내부에서 차곡차곡 쌓여 덴드라이트 성장을 억제할 수 있다.

연구진은 이번에 개발한 양극을 이용해 칼륨배터리를 만들고, 장기간 반복사용했을 때 성능과 안전성이 어떻게 변하는지 확인했다. 그 결과, 2000시간 이상 충·방전을 반복한 후에도 성능 저하나 덴드라이트는 나타나지 않았다. 류 교수는 “안전성이 높은 칼륨배터리용 양극은 대규모 에너지저장장치(ESS)에도 활용할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.

산업계도 칼륨배터리 상용화에 속도를 내고 있다. 미국 ESS 기업인 그룹원은 지난 7월 미국 오크리지 국립연구소에서 열린 학술행사에서 AA 건전지 크기의 칼륨이온배터리를 공개했다. 그룹원은 추후 전기차용 칼륨배터리 개발까지 이어간다는 계획이다.

중국의 소재 기업인 안후이 국신 신소재도 지난 7월 전기자전거용 칼륨배터리팩을 발표했다. 회사에 따르면 칼륨배터리팩을 이용한 전기자전거는 한 번 충전으로 최대 150㎞ 주행이 가능하다. 본격적인 양산은 올해 말로 예고했다.

참고 자료

eScience(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.esci.2023.100201

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