칼슘 이온 배터리:에너지 저장 분야의 차세대 개척지

앤드류 코셀리

김윤섭 교수(오른쪽), 화공생명공학부 부교수이자 교신저자. 전기화학 전지 주형을 들고 있는 제1저자 학생 YIN Zhuoyu(왼쪽). 배터리 셀 사이클러 옆에 있는 사진입니다. (이미지 :HKUST)

홍콩과기대(HKUST) 연구원들이 일상 생활에서 에너지 저장 솔루션을 변화시킬 수 있는 칼슘이온 배터리(CIB) 기술의 획기적인 발전을 이루었습니다. 준고체 전해질(QSSE)을 활용하는 이러한 혁신적인 CIB는 에너지 저장의 효율성과 지속 가능성을 향상시켜 재생 에너지 시스템에서 전기 자동차에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 영향을 미칠 것을 약속합니다. 이번 연구 결과는 국제학술지 Advanced Science에 게재됐다. 제목은 "산화환원 활성 공유결합 유기 골격 전해질의 고성능 준고체 칼슘 이온 배터리"입니다.

지속 가능한 에너지 저장 솔루션에 대한 긴급성이 전 세계적으로 점점 더 중요해지고 있습니다. 세계가 친환경 에너지로의 전환을 가속화함에 따라 효율적이고 안정적인 배터리 시스템에 대한 요구가 그 어느 때보다 시급해졌습니다. 오늘날의 주류 리튬 이온 배터리(LIB)는 자원 부족과 거의 제한된 에너지 밀도로 인해 어려움을 겪고 있으므로 지속 가능한 미래를 위해 CIB와 같은 대안을 찾는 것이 필수적입니다.

CIB는 LIB와 비교할 수 있는 전기화학적 창과 지구상의 풍부함으로 인해 큰 가능성을 가지고 있습니다. 그러나 특히 효율적인 양이온 수송을 달성하고 안정적인 사이클링 성능을 유지하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 장애물은 현재 상업적으로 이용 가능한 LIB에 대한 CIB의 경쟁력을 제한합니다.

이러한 과제를 극복하기 위해 HKUST 화학생물공학과 부교수 김윤섭 교수 연구팀은 QSSE 역할을 할 산화환원 공유 유기 프레임워크를 개발했습니다. 이러한 카르보닐이 풍부한 QSSE는 실온에서 놀라운 이온 전도도(0.46mS cm-1)와 Ca2+ 수송 능력(>0.53)을 보여주었습니다. 실험과 시뮬레이션 연구를 결합하여 팀은 Ca2+가 정렬된 COF 기공 내에서 정렬된 카르보닐 그룹을 따라 빠르게 이동한다는 것을 밝혔습니다.

이러한 혁신적인 접근 방식을 통해 0.15A g-1에서 155.9mAh g-1의 가역 비용량을 나타내고 1,000주기 후에 1A g-1에서 74.6% 이상의 용량 유지를 유지하는 완전 칼슘 이온 셀이 탄생하여 CIB 기술을 발전시킬 수 있는 산화환원 COF의 잠재력을 보여주었습니다.

공유 유기 골격 기반 준고체 전해질을 만들고 전체 셀을 작동시키는 합성 과정을 보여주는 개략도가 이 연구에서 구현되었습니다. (이미지 :HKUST)

여기 독점 기술 요약이 있습니다. 김씨와의 인터뷰(길이와 명확성을 위해 편집됨).

기술 요약 :이 CIB 기술 혁신을 개발하는 동안 직면했던 가장 큰 기술적 과제는 무엇이었습니까?

김 :가장 큰 문제점은 본질적으로 칼슘이온의 움직임이 느리다는 점이었습니다. 리튬 이온에 비해 칼슘 이온은 크기가 더 크고 전하가 강하기 때문에 확산 속도가 훨씬 느려집니다. 특히 전도성이 리튬보다 10배 이상 낮을 수 있는 준고체 전해질의 경우 더욱 그렇습니다. 이러한 전도도의 현저한 저하를 극복하는 것은 칼슘 이온 배터리를 실용화하는 데 매우 중요했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 우리는 수직으로 정렬된 이온 전달 경로를 구축하기 위해 결정성이 높은 다공성 재료를 사용하는 방법을 연구했습니다. 이러한 구조를 엔지니어링함으로써 우리는 이온 이동을 촉진하는 연속 채널을 만드는 것을 목표로 했습니다. 또한 효율적인 칼슘 이온 수송을 촉진하고 유지하기 위해 이러한 경로를 따라 전략적으로 배치된 활성 사이트를 도입했습니다. 이 접근 방식은 혁신적일 뿐만 아니라 나노 수준에서 재료 구조와 표면 화학에 대한 정밀한 제어가 필요했기 때문에 구현하기가 매우 어려웠습니다.

기술 요약 :어떻게 작동하는지 간단하게 설명해주실 수 있나요?

김 :전통적인 배터리를 브리지로 연결된 두 개의 컨테이너로 상상해 보세요. 이온(하전 캐리어)은 전기를 생성하기 위해 다리를 건너야 합니다. 칼슘 배터리에서 문제는 칼슘 이온이 오늘날 대부분의 배터리에 사용되는 리튬 이온보다 더 크고 "끈적끈적"하다는 것입니다. 특히 액체가 아닌 고체와 같은 준고체 전해질에서는 속도가 느려지거나 막히는 경향이 있습니다.

그래서 우리는 배터리 내부에 특별한 고속도로 시스템을 구축했습니다. 다공성 재료를 사용하여 칼슘 이온을 올바른 방향으로 안내하는 명확한 차선을 만들었습니다. 우리는 또한 도중에 이온이 계속 움직일 수 있도록 약간의 힘을 주는 지점인 "주유소"를 추가했습니다. 이러한 설계는 큰 칼슘 이온이 효율적으로 이동하는 데 도움이 되므로 배터리는 부족한 리튬 대신 풍부한 칼슘을 사용하여 효과적으로 에너지를 저장하고 전달할 수 있습니다.

기술 요약 :향후 연구/업무 등을 위한 정해진 계획이 있나요? 그렇지 않다면 다음 단계는 무엇입니까?

김 :네, 명확한 다음 단계가 있습니다. 첫째, 우리는 더욱 높은 칼슘 이온 전도도를 달성하기 위해 이온 전달 채널을 더욱 최적화할 계획입니다. 우리의 목표는 공유 유기 프레임워크(COF) 물질을 통해 단일 칼슘 이온 전도를 가능하게 하는 것입니다. 즉, 전용 익스프레스 레인처럼 각 채널이 이온을 보다 효율적으로 운반한다는 의미입니다.

둘째, 양극재와 음극재의 소재 및 구조 최적화에 힘쓰겠습니다. 궁극적으로 우리는 에너지 밀도와 안전성을 더욱 향상시킬 수 있는 완전 전고체 칼슘 이온 배터리를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이를 통해 풍부한 칼슘을 활용한 실용적인 고성능 배터리에 한 발 더 가까워졌습니다.

기술 요약 :제가 언급하지 않은 내용 중에 추가하고 싶은 내용이 있나요?

김 :우리가 기대하고 있는 중요한 방향 중 하나인 2차 전지의 유망한 방향에 대해 이야기하겠습니다. 현재는 양극 활물질을 사용한 배터리를 만드는 데 주력하고 있지만 궁극적인 목표는 양극 없는 배터리를 개발하는 것입니다.

양극 물질을 가지고 다닐 필요가 없는 배터리를 상상해 보십시오. 양극 물질은 충전 중에 스스로 형성됩니다. 이렇게 하면 모든 재료를 효율적으로 사용하기 때문에 에너지 밀도가 크게 높아집니다. 같은 여행가방에 더 많은 짐을 담는 것과 같습니다.

양극 없는 디자인은 차세대 충전식 배터리로 간주되며, 우리는 칼슘 화학이 이를 달성할 수 있는 독특한 기회를 제공한다고 믿습니다. 야심 찬 일이지만 우리가 노력하고 있는 것은 바로 그것입니다.

기술 요약 :자신의 아이디어를 실현하려는 연구자에게 조언을 해주실 수 있나요?

김 :다음은 몇 가지 제안사항입니다:

첫째, 어려운 문제를 피하지 말고 포용하십시오. 도전이 어렵다면 솔루션이 가치가 있다는 뜻입니다. 칼슘 이온은 본질적으로 리튬보다 느리지만 이러한 근본적인 문제를 해결하는 것이 이 획기적인 발전을 의미 있게 만듭니다.

둘째, 화학적으로만 생각하지 말고 구조적으로 생각하십시오. 때때로 대답은 새로운 자료가 아니라 그것을 어떻게 배열하느냐에 달려 있습니다. 우리의 다공성 채널 디자인은 "무엇"이 아니라 "어떻게", 즉 이온이 실제로 공간을 통해 어떻게 이동하는가에 대한 질문에서 나왔습니다.

그리고 마지막으로 인내심을 가지되 지속적으로 노력하십시오. 획기적인 발전은 하룻밤 사이에 거의 일어나지 않습니다. 전도도를 몇 퍼센트 향상하고 몇 퍼센트 더 향상하다가 갑자기 임계값을 초과하는 등 작고 점진적인 성공에서 비롯됩니다.

해결할 가치가 있는 문제는 쉽게 포기하지 않는 문제입니다.