에너지/환경

장순환 안정성 칼륨이온 배터리 양극 재료 개발

발행일 : 2020 / 03 / 18

중국과학원 선전(深圳)첨단기술연구원 기능성박막재료연구센터 탕융빙(唐永炳) 연구팀은 칭화(清华)-버클리(Berkeley)국제대학교 청후이밍(成会明) 연구팀과 공동으로 장순환(long-circulating) 안정성을 구비한 신형 칼륨이온 배터리 양극 재료를 성공적으로 개발했다. 해당 성과는 “Nature Communications”에 온라인으로 게재되었다.

칼륨이온 배터리의 음극과 전해질의 개발은 비교적 성숙한 반면, 양극 재료 개발은 비교적 느리다. 주요 원인은 칼륨이온의 반가가 리튬이온 보다 현저히 크고(1.38 vs 0.76 옹스트롬), 양극이 칼륨이온에서 탈삽입(de-intercalation)될 때 결정 구조가 쉽게 붕괴되어 배터리 성능이 빠르게 저하되기 때문이다. 기존의 해결책은 비교적 큰 이온 확산 채널이 칼슘이온을 자유롭게 출입할 수 있는 프러시안 블루 유사체와 같은 개방형 재료를 찾는 것 이다. 그러나 프러시안 블루 유사체의 결정격자 구조는 제조 과정에서 용매 물분자를 쉽게 도입하며 이들은 한편으로는 채널 위치를 차지하여 칼륨이온의 확산을 방해하고 다른 한편으로는 전해질과 반응하여 배터리 용량을 신속하게 감쇠시킨다.

연구팀은 고안정성 개방형 결정 프레임워크 구조를 구비한 플루옥실레이트 폴리머 음이온 칼륨 전기 양극 재료(KFeC2O4F)를 성공적으로 개발했다. 해당 양극 재료의 3차원 구조 프레임워크는 4.3×4.2옹스트롬, 6.3×3.7옹스트롬 등 다양한 사이즈의 채널을 포함하기에 탈삽입 칼륨으로 인한 체적 변화는 7.6 %에 불과하여 고안정성을 구비한 LiFePO4 양극 재료(~7.8 %)와 맞먹으며 프레임워크는 “호흡”을 통해 칼륨이온의 가역 탈삽입을 허용하고 아울러 Fe2+/Fe3+의 산화환원 반응을 동반한다. 해당 칼륨 전기 양극 재료는 0.2Ag-1 전류에서 112mAhg-1의 가역 용량과 우수한 순환 안정성을 나타내며 2,000차 순환 후의 용량은 94%를 유지하여 대규모 에너지저장 분야에서 잠재적인 응용 전망을 갖고 있다. 해당 연구 성과는 저가 금속 기반 신형 칼륨전기 양극 재료의 개발을 위한 참고가치가 있다.

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