고효율 충전식 칼슘 배터리에 대한 새로운 접근방식

칼슘(Ca)은 탄소배출량을 줄이면서 글로벌 에너지 수요를 충족할 수 있는 핵심 요소가 될 수 있고, 경제․효율적인 에너지 저장기술 측면에서 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 평가됨.

전기자동차 및 그리드 전기저장소 시장은 빠르게 성장하고 있으며, 이에 따라 안정적이고 에너지 효율적인 충전 배터리의 필요성이 증대하고 있음. 그러나 현재의 충전식 리튬이온 배터리(Lithium-ion Batteries, LIBs)는 안정성, 경제성, 지속가능성 등의 측면에서 만족스럽지 않은 상황으로, 연구자들은 대안을 모색 중이며, 그 중 하나는 칼슘과 같은 다원자(multivalent) 금속 기반의 배터리 시스템임. 칼슘 배터리는 고효율․저비용 솔루션이 될 수 있으나, 효율적 칼슘 증착(deposition)에 필요한 실질적인 전해질이 부족한 것이 장애요인이 되고 있음. 이와 관련하여, EU 지원을 받는 E-MAGIC(European Magnesium Interactive Battery Community) 프로젝트는 이러한 장애요인을 극복할 수 있는 해결책을 제시함.

E-MAGIC 프로젝트 참여 연구자들은 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’저널에 상온 가역(reversible)이 가능한 칼슘 증착이 가능하고 높은 산화성 및 이온 안정성을 가진 새로운 붕산염 기반 전해질(borate-based electrolyte)인 calcium tetrakis borate(Ca[B(hfip)4]2)을 발표함. 이 발견으로 고효율 상온 충전식 칼슘 배터리 개발을 위한 기반을 마련함.

이 논문은 음이온을 묽게 조절하는 칼슘 화합물을 기반으로 하는 새로운 칼슘 전해질 생성 가능성에 대해 언급하며, 다양한 불소화 아콕시버레이트(alkoxyborates) 음이온 혼입을 통해 새로운 칼슘염을 제조하는 간단한 합성방식이 전해질 특성 최적화에 유용하게 활용될 수 있다고 밝힘. Ca[B(hfip)4]2 전해질은 높은 산화 안정성과 이온 전도성 및 장기 가역적 칼슘 순환(long-term reversible Ca cycling)의 우수한 성능 측면에서 첨단 전기 화학적 특성을 나타냄.

칼슘과 같은 다원자 금속 기반의 배터리 기술 개발은 에너지 밀도를 향상시키는 한편 비용을 절감할 수 있음. 다원자 이온은 1가의 LIB 또는 나트륨 이온 배터리에 비해 배터리 용량이 2~3배가 될 수 있으며, 리튬이나 나트륨과는 달리 다원자 금속 애노드(anode)는 배터리의 에너지 밀도를 크게 증가시킬 수 있음.

이와 같은 특성이 칼슘 배터리가 LIB 기술에 대한 대안으로 고려되는 유일한 이유는 아님. 배터리 시장의 급속한 성장으로 인한 우려는 상용 LIB에 사용되는 코발트, 니켈, 리튬 등 특정 원재료의 중장기적인 가용성과 관련이 있음. 이와 관련하여 칼슘은 지구상에서 다서 번째로 풍부한 원소일 뿐 아니라 지리적으로 균등하게 분포하고 있고 안전하며 무독성임.

연구자들은 칼슘을 활용한 충전용 배터리에 대한 대안 마련을 위해 또 다른 다원자 금속인 마그네슘(Mg)을 주시하고 있음. 마그네슘은 E-MAGIC 프로젝트의 핵심연구 분야 중 하나로, 차세대 친환경 고효율 마그네슘 충전식 배터리에 대한 혁신적 기술을 개발함으로써, 마그네슘 기반 배터리 기반의 글로벌 과학 커뮤니티를 구축할 계획임.

 

출처 : CORDIS NEWS, E-MAGIC Project Website

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