알루미늄 전지 상용화 난제 ‘양극물질’ 개발

2018.12.10 16:56
유기 분자를 양극으로 하는 알루미늄 이차 전지 모식도. -사진 제공 서울대 공대
유기 분자를 양극으로 하는 알루미늄 이차 전지 모식도. -사진 제공 서울대 공대

국내 연구팀이 주도한 국제 공동 연구진이 알루미늄을 이용해 싸고 안정적인 이차전지를 만드는 기술을 개발했다. 전기자동차와 드론 등 이차전지를 활용하는 분야에 널리 쓰이는 리튬이온전지를 대체할 전지 개발을 앞당길 것이라는 기대를 모으고 있다.


최장욱 서울대 화학생물공학부 교수와 김동준·유동주 연구원팀은 프레이저 스토다트 미국 노스웨스턴대 교수팀과 함께 알루미늄을 이용한 이차전지를 만들 때 필요한 재료 물질을 새롭게 발굴해 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지’ 3일자에 발표했다.


알루미늄은 가격이 싸고 전기를 발생시키는 능력이 커서 이차전지를 만들기 위한 좋은 후보 물질이다. 양극에서 알루미늄이 알루미늄 이온이 되면서 전자를 내놓고, 이 전자가 도선을 따라 흐르면 전기가 된다. 이때 알루미늄이 있는 부위를 양극이라고 부르는데, 어떤 양극을 쓰느냐에 따라 전지의 전압과 용량 등이 결정된다. 


연구팀은 안정적인 양극을 만들 수 있는 물질을 찾기 위해 금속인 알루미늄에 유기물 분자를 반응시키는 아이디어를 냈다. 먼저 탄소와 산소가 이중결합을 한 유기화학 기능기인 ‘카르보닐기(CO)’ 2개를 마치 더듬이처럼 지니고, ‘몸통’은 벤젠 구조 세 개가 결합한 분자를 만들었다. 이 분자 세 개를 서로 연결시키면 삼각형 모양의 유기 분자가 완성되는데, 이 분야에 달린 세 쌍이 더듬이(카르복실기)가, 알루미늄과 염소가 결합한 착이온(금속과 유기물이 결합한 구조)을 감싼다는 사실을 발견했다.


이는 알루미늄 2차전지를 만들 때 알루미늄 착이온이 양극재를 파괴한다는 문제를 해결한 것이다.

 

삼각형 모양의 유기분자가 알루미늄 착이온을 품는 원리. -사진 제공 과학기술정보통신부
삼각형 모양의 유기분자가 알루미늄 착이온을 품는 원리. -사진 제공 과학기술정보통신부

연구팀은 이 삼각형 모양의 유기 분자에 흑연을 덮고 다시 유기분자를 덮는 형태로 한층 한층 차곡차곡 쌓아, 마치 아파트처럼 층상 구조를 이루게 해 내구성을 높였다. 실험 결과 수명은 5000번 이상 충전과 방전을 할 수 있었다. 또 전기도 더 잘 통하고, 두 종류의 알루미늄 착이온을 가둘 수 있어 에너지 밀도도 더 높아진다는 사실을 확인했다. 연구팀은 기존 전지 공정을 활용해 생산하는 데에도 편리해 상횽화에 유리할 것으로 보고 있다.


최 교수는 “유기 분자 물질은 유기 합성을 통해 무수히 다양한 구조로 개발할 수 있다는 게 장점”며 “이번 연구로 정체돼 있던 차세대 알루미늄 이차전지 개발이 새로운 활로를 띠길 기대한다”고 말했다. 

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