[요약]
- 리튬 이온 배터리(LIB)는 특유의 장점 덕에 현재 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있으나 제한된 가용성과 환경문제로 인한 단점이 점점 부각되는 상황
- 한편 최근 연구에서는 WISE 기반 칼륨 이온 배터리(KIB)에서 LIB와 유사하게 고체 전해질 간기(SEI)를 형성하는 것이 관찰돼 차세대 수성 배터리의 가능성을 확인
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일본 도쿄과학대학(TUS) 연구팀은 최근 염수 전해질(WISE) 기반 칼륨이온배터리(KIB)에서 고체 전해질 간기(SEI) 형성과 관련된 정보를 얻기 위한 연구를 수행
- 전 세계 과학자들은 리튬 이온 배터리(LIB)의 단점으로 인해 대표적인 수성 배터리인 칼륨 이온 배터리(KIB)와 같은 대체 배터리 기술을 찾고 있는 상황
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- 리튬 이온 배터리는 지난 20년 동안 다양한 전자 장치 및 차량의 전원으로 엄청난 인기
- 다른 많은 유형의 배터리보다 에너지 밀도가 높기 때문에 같은 공간에 더 많은 에너지의 저장이 가능하며, 심각한 성능 저하 없이 많은 횟수의 충전 및 방전 주기를 보유
- 또한 리튬 이온 배터리는 다른 많은 유형의 배터리보다 가볍고 더 빨리 충전할 수 있어서 휴대가 편리하고 장치를 빠르게 충전해야 하는 사람들에게 편리
- 리튬 이온 배터리는 지난 20년 동안 다양한 전자 장치 및 차량의 전원으로 엄청난 인기
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- 하지만 리튬의 제한된 가용성과 환경문제로 인해 리튬 이온 배터리의 단점이 점점 대두
- 리튬 이온 배터리는 과열 및 발화의 위험이 있어 안전상의 위험이 될 수 있기 때문에 많은 항공사 및 기타 운송업체에서 기내 반입할 수 있는 리튬 이온 배터리의 수를 제한
- LIB 수요가 증가함에 따라 원재료인 리튬 가격도 증가하고 있으며, 폐배터리 처리 시 분해가 어렵고, 산화코발트, 망간 및 니켈 등 다양한 중금속을 포함하고 있어 별도의 처리 없이 매립이나 소각할 경우 심각한 환경오염을 유발
- 하지만 리튬의 제한된 가용성과 환경문제로 인해 리튬 이온 배터리의 단점이 점점 대두
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- 이에 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 칼륨 이온 배터리가 주목
- 칼륨은 리튬보다 약 8배 풍부한 매장량을 보유하고 있으며, 가격도 1/10로 저렴하고, 리튬 이온의 고유전위(-3.04V)에 근접한 표준전극 전위(-2.93V)를 가짐으로써 리튬 이온 전지 못지않은 에너지 저장이 가능
- 이에 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 칼륨 이온 배터리가 주목
- 이와 관련, 일본 TUS 연구팀은 최근 염수전해질 기반 KIB에서 고체 전해질 간기(SEI) 형성 및 그 특성에 대한 지식을 얻기 위한 선구적인 연구를 수행
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- SEI는 배터리 제조 후 처음으로 충전할 때 음극재 표면에 생기는 얇은 막을 의미
- 배터리 충전을 위해 칼륨 이온이 양극에서 음극으로 이동하는 과정에서, SEI는 칼륨 이온이 이동하는 길인 ‘전해질’의 추가 분해 반응을 방지하고 칼륨 이온만이 전해질을 이동할 수 있도록 만드는 역할 수행
- SEI가 제 역할을 하기 위해서는 알맞은 형태의 피막을 형성하는 것이 무엇보다 중요
- SEI는 배터리 제조 후 처음으로 충전할 때 음극재 표면에 생기는 얇은 막을 의미
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- 연구진은 주로 오페란도 전기화학 질량 분석법(OEMS)과 주사 전기화학 현미경(SECM)을 적용했으며, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 디이미드 음극을 사용하는 KIB 작동 시 SEI가 어떻게 실시간으로 전개되고 반응하는지 확인
- 실험 결과, SEI는 LIB에서 볼 수 있는 것과 유사한 WISE에서 부동태화 층을 형성하고 겉보기 전자 이동속도가 느려 수소 발생을 억제하는 데 도움이 되는 것으로 확인
- 이번 결과는 KIB의 안정적인 성능과 높은 내구성을 보장할 수 있는 것을 의미하나 연구원들은 SEI 층의 커버리지가 더 높은 작동 전압에서는 불완전하게 수소 발생으로 이어지는 것도 함께 관찰
- 때문에 안정화를 위해 음극에서 수소 발생을 방지하는 것은 고전압 수성 배터리의 주요 과제 중 하나
- 연구진은 주로 오페란도 전기화학 질량 분석법(OEMS)과 주사 전기화학 현미경(SECM)을 적용했으며, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 디이미드 음극을 사용하는 KIB 작동 시 SEI가 어떻게 실시간으로 전개되고 반응하는지 확인
[시사점]
- 전 세계적으로 지속 가능한 개발을 추구하고 환경오염을 막으려는 각종 규제들로 인해 ,리튬 이온 배터리의 우수한 특성에도 불구하고 매장량이 많고 저렴하며 오염이 적은 차세대 배터리를 필요로 하게 된 상황
- 칼륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 특성들을 갖고 있지만, 기존 리튬 이온 배터리의 단점을 극복하며 상용화하기 위해서는 아직 더 많은 연구가 필요
- 이번 연구로 염수전해질 기반 칼륨 이온 배터리가 리튬 이온 배터리와 유사한 형태의 SEI를 형성하는 것을 발견함으로써 칼륨 이온 배터리가 상용화 될 수 있는 발판을 마련
- 또한 차세대 수성 배터리에서 SEI의 형성을 더욱 향상시키는 것의 중요성과 OEMS와 SECM과 같은 분석법으로 전극-전해질 간의 상호작용을 실제로 관찰할 수 있다는 사실을 확인
[출처]
- Green Car Congress. TUS researchers offer insights into solid-electrolyte interphases in next-gen aqueous potassium-ion batteries, 2023.9.20.
- 전자신문. [KISTI 과학향기]쏟아지는 리튬 배터리 쓰레기… 재활용 해결책은?, 2022.3.7.
- Battery Inside. 배터리 용어사전 – SEI (Solid Electrolyte Interphase), 2022.4.7.
- Advanced Functional Materials(Vol33, Issue 6). Recent Advances in Electrolytes for Potassium-Ion Batteries, 2023.2.2.
