칼슘이온전지 성능 높인 핵심 소재
칼슘이온전지 성능 높인 핵심 소재
  • 함예솔
  • 승인 2020.11.27 23:55
  • 조회수 624
  • 댓글 0
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DGIST 에너지공학전공 홍승태 교수 연구팀이 차세대 이차전지로 각광받는 칼슘이온전지용 양극소재인 NaV2(PO4)3 를 개발했습니다. 이번 연구성과로 기존에 사용되는 리튬이온전지의 용량과 성능을 개선한 칼슘이온전지의 상용화가 앞당겨질 전망입니다. 본 연구는 <Chemistry of Materials>에 게재됐습니다. 

 

리튬이온 대체할 칼슘이온전지

 

리튬이온전지는 모바일 기기 및 전기차 등 다양한 분야에 적용되고 있는 대표적인 이차전지입니다. 그러나 최근 더 좋은 성능을 구현하기 위해 높은 에너지밀도를 가진 이차전지가 요구되면서 리튬이온전지의 구현 가능한 에너지밀도가 한계에 근접한 상황입니다. 또한 핵심소재인 리튬, 코발트 등의 매장지역이 한정적이어서 가격 또한 상승하고 있습니다.

 

이러한 리튬이온전지를 대체하기 위해 칼슘이온을 이용한 이차전지 연구가 주목받고 있습니다. 이차전지는 이온이 전자와 함께 양극과 음극을 이동하면서 충전과 방전이 일어납니다. 이 때 이동하는 전자의 수와 양극소재의 특성에 따라 배터리 용량과 전압이 결정되는데, 리튬은 이온당 한 개의 전자가 같이 이동하지만 칼슘은 이온당 두 개의 전자가 이동 가능한 2가 양이온입니다. 따라서 이론상 리튬이온전지보다 2배의 용량이 가능하며 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있습니다. 또한 지구상에 풍부한 원소인 칼슘을 이용하기 때문에 경제적이기도 합니다. 

 

하지만 리튬보다 큰 칼슘의 이온크기와 높은 산화수(oxidation number)로 인해 전극물질에 구조적, 전하적 변형이 발생하게 됩니다. 이 때문에 칼슘이온의 작동전압을 구현할 수 있는 양극소재의 개선이 필요합니다. 양극소재는 방전 시 이온과 전자를 받아주고, 충전 시 이온과 전자를 음극으로 보내는 탈·삽입 과정의 주요 매개체이며, 전자의 작동전압을 결정하는 소재입니다.

칼슘이온 탈·삽입 메커니즘 분석 결과의 시각적 모식도 . 출처: DGIST
칼슘이온 탈·삽입 메커니즘 분석 결과의 시각적 모식도 . 출처: DGIST

이에 DGIST 홍승태 교수 연구팀은 칼슘이온의 특징을 고려해 높은 구조적 안정성을 가진 나시콘 구조(NASICON) 기반의 양극소재인 NaV2(PO4)3 를 개발했습니다. 연구팀은 NaV2(PO4)3 의 구조 분석과 칼슘의 탈·삽입 메커니즘 분석을 위해 분말 X선 회절기법을 이용했습니다. 이를 통해 양극소재 구조에 칼슘이온이 탈‧삽입 되는 과정에서 발생하는 구조 변화를 규명하면서 높은 용량과 작동전압이 구현 가능함을 증명했습니다.

  • 산화수(oxidation number) 

화합물을 구성하는 각 원자에 전체 전자를 일정한 방법으로 배분하였을 때, 그 원자가 가진 전하의 수를 말합니다. 산화수가 높으면 그만큼 전자를 잃게 됩니다. 

  • 나시콘 구조(NASICON; Na super ionic conductors)

대표적인 Na+ 이온 고체전해질 구조의 한 종류로 대표물질은 Na1+xZr2SixP3-xO12 (0< x<3) 가 있습니다. 이 구조의 특징은 Na+ 이온이 구조 내에서 빠르게 확산 가능하다는 것입니다.

  • X선 회절기법(X-ray diffraction) 

결정성을 가진 고체물질에 X선을 쪼일 때 만들어지는 회절 패턴을 이용해 결정구조를 분석하는 방법입니다. 

DGIST 홍승태 교수는 "탈·삽입 기반의 칼슘이온 이차전지용 양극소재를 개발하고 작동 메커니즘을 최초로 규명했다"며 "이러한 작동원리를 적용하면 더욱 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 칼슘이온전지용 양극소재 개발의 지표가 될 것"이라고 밝혔습니다.

에너지공학전공 홍승태 교수(좌), 제1저자 전부식 박사과정생(우). 출처: DGIST
에너지공학전공 홍승태 교수(좌), 제1저자 전부식 박사과정생(우). 출처: DGIST

##참고자료##

 


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