반영구적으로 사용 가능한 전지 시스템
반영구적으로 사용 가능한 전지 시스템
  • 문현식
  • 승인 2018.12.17 08:25
  • 조회수 1158
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전기자동차, 드론과 같은 전기에너지 기반의 운송 수단이 빠른 속도로 보급되고 있습니다. 이렇게 신기술이 나오고 있지만 여전히 고민인 부분은 전지가 기술 발전의 속도를 따라가지 못하고 있다는 점입니다. 이런 상황에서 최장욱 서울대 화학생물공학부 교수팀이 차세대 이차전지 시스템을 개발하는데 성공했습니다. 이차전지는 한 번 쓰고 버리는 것이 아니라, 충전을 통해 반영구적으로 사용하는 전지를 말합니다.

 

유기 분자를 양극으로 하는 알루미늄 이차 전지 모식도. 출처: 서울대학교
유기 분자를 양극으로 하는 알루미늄 이차 전지 모식도. 출처: 서울대학교

하지만 현재 상용화된 리튬이온 전지는 최근 몸값이 아주 높아지고 있는 친구죠. 다시 말해서, 가격이 비싸다는 문제가 있습니다. 리튬 및 전이 금속의 가격이 상승하면서 증가하는 전지 수요를 대응하기에는 다소 비용 부담이 있습니다.

 

연구진은 이런 단점을 극복하기 위해 가격이 저렴하고 금속 자체의 용량이 높은 알루미늄에 주목했습니다. 하지만 알루미늄 이온은 대부분 산화물의 구조를 파괴한다는 점이 난제였습니다. 연구팀은 기존 산화물 기반 물질에서 벗어나, 유연한 구조의 유기 분자로 안정적으로 알루미늄을 수용하는 물질을 발굴했습니다.

 

구체적으로 2개의 카르보닐기가 특정 상황이 되면 알루미늄을 안정적으로 수용했다고 합니다. 카르보닐기는 탄소 화합물에서 탄소 사슬의 중간에 있는 탄소 원자가 산소 원자와 이중 결합을 갖는 화합물입니다. 

 

알루미늄을 이용한 이차전지의 충방전 원리. 출처: 서울대학교
알루미늄을 이용한 이차전지의 충방전 원리. 출처: 서울대학교

연구진은 여기서 멈추지 않고 유기 분자를 삼각형 모양으로 만들어 보았습니다. 이런 구조의 분자는 유연한 층상 구조 덕분에 이차전지 수명도 거의 반영구적으로 늘어났다고 합니다. 이런 구조의 장점은 또 있었습니다. 흑연의 구조와 유사해서 서로 쌓을 수 있다는 것입니다. 이렇게 적층된 복합 전극은 기존 문제점으로 꼽히던 낮은 전도도 문제도 해결했습니다. 

 

최장욱 교수는 "유기 분자 물질은 유기 합성을 통해 무수히 다양한 구조로 개발할 수 있어 차세대 이차전지 발전에 유용하게 쓰일 수 있다"며 "차세대 알루미늄 이차전지 개발의 새로운 활로를 열 것"이라고 말했습니다. 2016년 노벨 화학상 수상자인 미국 노스웨스턴대 화학과 프레이저 스토다트 교수와 공동으로 연구한 이번 결과는 학술지 <네이처 에너지>에 게재됐습니다. 
 


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