[에너지단열경제]정두수 기자

성균관대학교 기계공학부 김재훈 교수(사진)와 울산과학기술원 곽상규 교수가 중대형 전력저장용 베터리용 음극소재인 하드카본의 리튬, 나트륨 및 칼륨 이온저장 메커니즘을 규명했다.

이번 연구 결과는 중대형 전력저장용 배터리의 안전성 및 용량 개선은 물론 신재생에너지 전력 저장 시스템 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
태양광, 풍력 등 신재생에너지는 친환경이라는 장점에도 불구하고 전기출력 특성이 균일하지 않은 단점을 지니고 있다.
이런 신재생에너지의 지속적인 활용을 위해서는 전기를 저장해서 필요할 때 사용할 수 있는 중대형 에너지저장시스템 개발이 필수적이다.
하지만 리튬이온전지는 불안전성과 높은 가격으로 에너지저장시스템의 저변확대에 어려움을 겪고 있다.
리튬 대비 저가인 나트륨 및 칼륨을 하드카본에 저장하는 전지가 많이 사용되고 있으나 이온 저장 메커니즘이 규명되지 않아 고용량 배터리 개발에 어려움이 많다.
연구팀은 리그닌을 원료로 하드카본을 합성했다.
리튬, 나트륨 및 칼륨의 충전 및 방전 중에 변화하는 하드카본의 물리화학적 성질 변화에 대한 체계적인 연구를 진행했다.
밀도 범함수 이론 계산 결과를 바탕으로 기존에 밝혀지지 않았던 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 삽입될 때 그래핀 층이 확장됐으며, 그래핀 층의 확장 효과가 없는 리튬보다 나트륨 및 칼륨의 저장에서 더 많은 용량을 보이는 것을 규명했다.
연구팀은 여기에 리튬, 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 충전 및 방전될 때의 저장 메커니즘을 규명하고, 하드카본 음극소재의 용량 및 안전성 향상을 위한 인자를 제시했다.

연구팀은 “논란이 돼왔던 하드카본의 이온 저장 메커니즘을 실험 및 이론 기법을 통해 밝혀냄으로써 향후 중대형 전력저장용 저가 음극소재 개발에 활용 가능하다”고 말했다.
연구결과는 소재과학 분야 세계적 학술지인 ‘Advanced Energy Material’에 4월 15일 온라인 게재되고 5월 26일자 저널의 커버로 발표됐다.

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