KENTECH·켄텍, 비대칭 전해질을 이용한 수계 칼륨이차전지 개발

- 차세대 고안전성 수계 이차전지 개발에 기여

표명호 교수 연구팀이 개발한 충방전 연구 내용. (좌측 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 되며, (사진) 저온에서도 충방전 특성이 유지됨. (자료제공: KENTECH)

한국에너지공과대학교 (박진호 총장직무대행, 이하 KENTECH)는 표명호 교수 연구팀이 비대칭 이미드 칼륨염의 높은 용해도를 활용하여 수용액에 기반한 높은 전압안정성을 갖고 저온에서도 구동 가능한 칼륨이차전지를 개발하는데 성공했다고 8월 6일 밝혔다.

기존의 유기용매 전해질에 기반한 리튬 이차전지는 화재 및 폭발 위험성으로부터 자유롭지 않은 반면 수용액에 기반한 이차전지는 전고체전지와 더불어 이를 근본적으로 해결할 수 있는 방법으로 기대되고 있다.

그러나, 수계 이차전지에서는 물분해로 인한 낮은 전압 안정성을 해결하기 위해서는 고농도 염 수용액을 사용해야 하며, 칼륨염의 경우 이에 도달할 수 있는 종류가 극히 제한적일 뿐 아니라 알려진 염들도 실제 칼륨이차전지 적용에는 많은 문제점을 갖고 있었다.

연구팀은 기하학적으로 비대칭성을 갖는 음이온의 칼륨염인 KCTFSI 가 고농도까지 용해될 수 있음을 발견하고 고농도 메커니즘을 규명하였으며, 해당 수용액의 전압 안정성은 3.5V 이상에 이르며 저온에서도 결정화되지 않음을 확인하였다. 

이에 따라 KCTFSI를 적용한 수계 칼륨이차전지는 상온에서 우수한 전지 특성을 보이며, 저온(영하 15oC)에서도 해당 충방전 특성이 장기간 유지됨을 최초로 확인하였다.

표명호 교수는 “이번 연구 결과는 수계전해질을 이용한 실용성 있는 이차전지 개발에 중요한 단서를 제공할 것”이라며 “지구상에 풍부한 칼륨을 기반으로 하기 때문에 자원 고갈 문제 및 원가 경쟁력에서도 자유로울 것”이라고 밝혔다.

표명호 교수, 세종대학교 손기선 교수의 공동연구로 진행됐으며, KENTECH의 곽준섭 교수, 순천대학교의 박운배 교수 등이 공동저자로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 

연구 결과는 Wiley 사의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 온라인에 7월 31일에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]