메뉴

검색

충전 속도 10배 빠른 리튬 대체 배터리 나왔다

상트페테르부르크 대학 연구진, 산화·환원 반응 플로우 이차전지 원리 응용

박정한 기자

기사입력 : 2021-04-08 14:36

우리 일상에 가까이 접하는 전자기기는 무수히 많다. 스마트폰, 보조배터리, 휴대용 스피커, 디지털 카메라, 전동공구, 전동 킥보드 등 일상을 더 편리하게 해주는 전자 기기들에는 휴대용 배터리가 사용된다.


◇ 리듐 이온 배터리의 다양한 활용과 치명적 문제점

이들 휴대용 전기제품의 대다수에 사용되는 배터리는 리튬이온 배터리다. 리튬 이온 배터리 없이 우리의 일상생활을 상상하기조차 어렵다. 이 배터리는 휴대용 전자 장치에 대한 작은 형식의 배터리 시장을 지배하고, 또한 일반적으로 전기 자동차에 사용된다.

리튬이온 배터리는 크기와 두께를 작고 가늘게 만들 수 있으며, 고밀도로 에너지를 저장할 수 있고, 고전압까지 가능하다는 장점이 있다. 축전지의 최고 기술로 평가받고 있다. 사용하지 않을 때에도 자가 방전이 일어나는 정도가 크지 않아 활용도가 높아 여러 휴대용 전자기기에 많이 사용되고 있다. 특히 에너지의 밀도가 높아 방산 산업이나 자동화시스템, 항공 산업 분야에서도 점점 사용 빈도가 증가하는 추세다.

그러나 리튬 이온 배터리는 다른 전지에 비해 안정성이 떨어지는 편이라 과다 방전 시 용량 감소가 매우 크고, 과다 충전 시에 매우 불안정해져서 내부 전극에서 쇼트가 나거나 축전지에 충격을 주면 폭발할 수 있다. 또한 추운 온도에서 화재 위험 및 성능 손실을 포함해 몇 가지 심각한 문제가 있다. 배터리 폐기에 따른 환경적 영향도 적지 않다. 리튬이온 배터리 폭발 화재로 인명피해까지 발생했던 사건도 있었다.


◇ 상트페테르부르크대학, 리튬 이온 대체 가능 배터리 개발 성공

상트페테르부르크 대학 전기화학학과 연구팀은 1973년 나사(NASA)에서 개발한 레독스(산화‧환원 반응) 플로우 이차전지 원리를 활용해 리튬 이온 배터리 대체 배터리를 개발해 왔다. 이들은 러시아 과학재단 보조금을 받아 2016년부터 연구에 본격 착수해 전기화학 에너지 저장을 위한 재료로 레독스 활성 니트로실 함유 폴리머(중합체)를 탐구해 왔는데 최근 상당한 성과를 낸 것으로 알려졌다.

폴리머를 사용해 제조한 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 약 10배 빠른 몇 초 만에 충전되고 저온에서도 작동할 수 있으며 사용하기에 안전하다. 오늘날 널리 퍼져있는 코발트 기반 배터리와 달리 연소 위험을 초래할 수 있는 것이 없어 화재 위험도 낮고 환경에 해를 끼칠 수 있는 금속도 훨씬 적다.

그러나 아직 기술적 미비점이 있다. 상용화하기에는 조금 이르다. 문제는 리튬 이온 배터리보다 30~40% 낮은 용량이다. 현재 충전 속도를 유지하면서 용량을 늘리는 한계 극복이 남아 있다.

center
새로운 중합체의 화학식 상징적 표현.


◇ 새로운 기술의 특징

레독스 플로우 이차전지의 반응 원리는 양극 및 음극 전해액내에 전이금속이나 Lanthan계, Actinide계와 같은 활성물질을 녹여서 양‧음극 전해액을 제조하여 탱크에 저장한 후 펌프를 이용하여 전극에 공급하게 되면 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용하여 에너지를 저장하는 것이다.

이 폴리머는 빠른 레독스 운동으로 인해 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 및 방전 속도가 발생하는 것이 특징이다. 그러나 전기 전도도가 부족하다는 것이다. 탄소와 같은 전도성 첨가제를 사용해도 충전에 방해가 발생한다. 이 문제를 극복하기 위해 니켈 살렌 복합체(NiSalen)를 기반으로 폴리머를 합성했고 문제를 해결했다.

이 폴리머를 개발하는데 3년이 넘게 걸렸다. 화합물 합성이 가장 큰 난관이었는데 일부 구성 요소는 매우 민감하고 사소한 오류도 허용되지 않는다. 소량의 니켈로 복합체를 만들어 안정적 충전 및 방전을 할 수 있는 공유 결합체를 만든 것이다.


박정한 글로벌이코노믹 기자

카자흐스탄