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Research

포타슘(칼륨) 이온 배터리, 차세대 배터리 시장의 주인공으로 기대

  • 조회. 188
  • 등록일. 2022.06.13
  • 작성자. 대외협력팀

- 포타슘 배터리로 높은 이온전도, 우수한 전기화학 안정성 등 확보

- 차세대 고전압 포타슘 배터리에 적용 기대

 

 DGIST(총장 국양) 에너지공학과 이호춘 교수 연구팀은 고전압 및 고에너지 밀도 포타슘 배터리에 적용 가능한 설폰 화합물 기반의 유기-결정성 고체 전해질 기술을 개발했다고 밝혔다.

 포타슘은 일반적으로 칼륨 알려져 있는데, 이를 이용하여 만들어진 배터리는 포타슘 원소의 풍부한 양과 포타슘의 낮은 환원 전위 덕분에 리튬 이온 배터리의 뒤를 이을 차세대 배터리로 각광받고 있다. 그러나 기존에 포타슘 배터리에 사용되는 카보네이트 계열 전해질은 전기화학적 안정성이 매우 낮을 뿐 아니라 불에도 잘 붙는 가연성 물질이라서 이를 활용하기에는 한계점이 존재하였다.

 하지만 이호춘 교수 연구팀이 이번에 개발한 포타슘 배터리 전고체 전해질 기술은 기존의 카보네이트 전해질이 갖는 단점을 극복한 고체 전해질 기술로 평가 받는다. 디메틸설폰(Dimethyl sulfone)을 포함하는 설폰 화합물 기반의 유기-결정성 고체 전해질(Sulfone-based crystalline organic electrolyte, SCOE)은 높은 전류(0.7 mS/cm)를 흐르게 하면서, 우수한 전기화학 안정성(5.8 V vs. K+/K)을 갖고 있으며, 불에 잘 타지 않는 난연성을 확보하였다. 뿐만 아니라 고체전해질을 높은 온도로 가열하여 녹인 뒤 양극 활물질에 붓는 과정인 용융주조공정(Melt-casting process)을 통해 고체전해질과 양극 활물질 간의 치밀한 계면 접촉을 형성할 수 있었다.

 칼륨 이온 전지용 양극활물질 중에 하나인 KVPO4F 양극재를 포함한 5V 고전압 배터리에 SCOE를 전해질로 사용한 결과, 100회 이상 성공적으로 충방전 되었으며 높은 용량 유지율(88.8%)과 쿨롱효율(99.6%)을 보였다. 그에 반해, 카보네이트 전해질을 포함한 배터리는 포타슘 금속 전극과 심각한 부반응 및 포타슘 수지상 성장(Dendrite growth)을 일으켰으며, 낮은 용량 유지율(77.6%) 및 쿨롱효율(92%)을 보여주었다(그림 2).

 한편, 이번 연구는 DGIST 에너지공학과 홍승태 교수팀과 공동으로 진행되었으며 화학공학분야의 저명 국제 학술지 중의 하나인 ‘Chemical Engineering Journal’413일 온라인으로 출판되었고, 학술지에는 91일에 게재될 예정이다. 해당 논문은 DGIST 에너지공학과 강석범 학위연계과정생이 1저자로 참여하였다. 본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구실 지원사업(Basic Research Laboratory, BRL)의 지원을 받아 수행되었다.

 

 

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연구결과개요

A sulfone-based crystalline organic electrolyte for 5 V solid-state potassium batteries

(강석범, 전부식 홍승태, 이호춘*)

(Chemical engineering journal, on-line published on 4.13, 2022)

전고체 포타슘 배터리는 최근 차세대 에너지 저장 시스템으로 각광 받고 있다. 그러나 전고체 포타슘 배터리가 널리 활용되기 위해선 배터리에 사용되는 전해질의 이온전도도, 전기화학적 안정성 그리고 활물질과의 계면 접촉 능력이 확보되어야 한다. 해당 문제를 해결하기 위해, 디메틸설폰(Dimethyl sulfone, DMS)와 포타슘 염(Potassium bis(fluorosulfonyl) imide, KFSI)로부터 합성된 설폰 화합물 기반의 유기-결정성 고체전해질(Sulfone-based crystalline organic electrolyte, SCOE)을 개발하였다. KFSIDMS19 몰비율로 구성된 SCOE는 상온에서 높은 이온전도도 (0.4mS/cm)와 높은 산화 안정성 (5.8 V vs. K+/K) 그리고 불에 잘 붙지 않는 난연특성을 보여주었다. 뿐만 아니라, SCOE는 적당한 녹는점 (94°C)을 가지고 있어서, 용융-도포 과정 (melt-casting process)를 통해 양극 활물질과 치밀한 계면 접촉을 달성할 수 있다. 5 V 고전압 포타슘 배터리 양극재 KVPO4F를 포함하는 배터리에 SCOE를 전해질로 사용하여 실험한 결과, 100회 이상 문제없이 충방전되었으며, 높은 용량유지율(88.8%) 및 쿨롱효율(99.6%)을 보여주었다. 상기의 실험 결과들을 미루어 보았을 때, SCOE의 개발을 통해 상온에서 작동가능한 5 V 고전압 포타슘 전고체 배터리의 상용화를 앞당길 수 있다고 기대한다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

포타슘 배터리에는 보통 카보네이트 계열의 액체 전해질이 사용됨. 그러나 이호춘 교수 연구팀은 최초로 포타슘 배터리에 설폰 화합물 유기-결정성 고체 전해질을 사용하였음.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

고출력 및 5 V의 고전압을 낼 수 있는 포타슘 배터리에 활용 가능함.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

해당 연구의 실용화를 위해서는 1 Ah급의 파우치 셀에서도 높은 성능을 보일 수 있어야 하며, 2~3년의 추가적인 기술 개발이 필요할 것으로 사료됨.

Q. 연구를 시작한 계기는?

고전압 포타슘 배터리 기술의 돌파구를 찾기 위해 연구를 시작하였음.

Q. 어떤 의미가 있는가?

기존 카보네이트 전해질은 낮은 전기화학 안정성 및 높은 가연성을 가지고 있어서 고전압 포타슘 배터리에 적용하기 힘든 문제가 있었음. 이 문제를 해결하기 위해 디메틸설폰을 포함한 설폰 화합물 기반의 유기-결정성 전고체 전해질 기술을 개발하였음. 새롭게 연구된 고체전해질은 난연성 뿐만 아니라 5 V 이상에서도 전기화학적으로 안정하여 KVPO4F 양극재를 포함한 고전압 포타슘 배터리에서 매우 우수한 성능을 구현함.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

리튬 이온 배터리의 뒤를 잇는 차세대 배터리로서 포타슘 이온 배터리를 상용화할 수 있는 연구를 진행하고자 함.

 

 

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그림설명

[그림 1]  포타슘 양극 활물질 상에 설폰 화합물 기반 유기-결정성 고체 전해질(SCOE)의 용융주조 과정(Melt-casting process) 모식도

(그림설명) 
디메틸설폰(DMS)와 포타슘 염(KFSI)로 합성된 SCOE가 약 100도에서 용융되어 양극 활물질에 도포된 후, 상온으로 굳게 되면 양극 활물질과 고체 전해질 사이에 치밀한 접촉이 형성된다.


[그림 2] SCOE와 기존 카보네이트 전해질의 성능비교

(그림설명) 
(a) 포타슘 금속과 KVPO4F 양극으로 조립된 배터리에 SCOE 혹은 카보네이트를 전해질로 사용하였을 때의 사이클/쿨롱효율 그래프
(b) 카보네이트가 전해질로 사용된 배터리의 충방전 그래프
(c) SCOE가 전해질로 사용된 배터리의 충방전 그래프

 

 


 

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