‘친환경’이라는 화두가 전세계 에너지분야를 뒤덮으면서 ‘에너지 저장장치에 대한 관심은 더욱 확산되고 있다. 특히, 그동안 휴대용 전자기기나 전기자동차에 사용됐던 ‘리튬이온전지’는 기존의 화석에너지에 비해서는 확실히 ‘친환경’에 근접해 있었으나 사용량이 급증하면서 보급의 한계와 급격한 가격상승에 대한 우려가 제기되고 있다. 이에 한양대학교 선양국 교수(에너지공학과)는 리튬을 대체할 수 있는 포타슘 이온전지를 소재로 삼는 에너지 저장장치 개발에 박차를 가하고 있다.

포타슘 이온 전지’는 포타슘 이온을 포함하는 고전위 산화물 기반 양극, 포타슘 이온을 저장하는 저전위 탄소 기반 음극, 그리고 포타슘 이온을 전달하는 비수용액계 전해질과 분리막으로 구성돼 있다. 풍부한 매장량과 낮은 환원 전위 특성을 가진 포타슘은 리튬을 사용할 때와 충∙방전 매커니즘이 비슷해 현재 보편적으로 사용하는 리튬 이온 전지보다 더 나은 성능을 가진 대체물로서 가장 유망한 후보로 각광받고 있다.

그러나 리튬 보다 큰 포타슘 이온의 크기(Li : 0.76 Å vs K : 1.38 Å)는 양극 소재의 합성을 어렵게 해 전기화학반응을 일으키기 쉽지 않다. 부피와 무게가 커짐에 따라 전지 안으로 이온 저장이 힘들어 발현하는 에너지의 양도 적어진다. 또한 포타슘이 공기 중에서 물이나 산소에 반응성이 높기 때문에 더욱 합성이 어렵다. 이 특성은 충전과 방전이 계속되면서 소재에 손상마저 입힌다. 이러한 이유로 포타슘 이온 전지용 양극 소재 개발이 제한돼 왔다. 

선 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 포타슘보다 상대적으로 반응성이 적은 소듐으로 만든 기존 양극 소재들을 이용하기로 하고 양극에 소듐이온전지용 양극을, 음극에 포타슘 메탈을 사용해 전기화학적으로 양극 소재내에서 소듐 이온을 모두 제거하고 대신 포타슘 이온을 삽입했다.
실제로 이러한 방법을 통해 합성된 포타슘 기반의 양극 소재(K0.69CrO2)는 구조적으로 매우 안정돼 실제 1000회까지 사용이 가능했다. 이 양극 소재는 초기에 발현한 용량의 65%에 달하는 우수한 수명 유지율과 12분 내 고속 충∙방전이 가능하다는 이점도 있다.

선 교수는 이러한 결과에 대해 “양극 소재를 개발하는 관점에서 포타슘 이온을 더 효과적으로 저장하고 충∙방전 시 구조가 손상되지 않는 것이 연구의 목표”라고 말했다.

포타슘 이온 전지가 갖는 소재로 다양한 부재를 해결할 새롭고 쉬운 소재 합성법을 제시한 선 교수는 “현재는 크롬(Chromium)을 전이금속으로 한 소재를 사용했지만 해당 합성법은 크롬이 아닌 어떠한 전이금속으로도 결합해 사용이 가능하도록 개발했다”며 “검증된 합성법으로 향후 포타슘 이온 전지용 양극 소재 개발에 대한 더 많은 가능성과 정보를 줄 수 있는 연구”라고 덧붙였다.

한편, 선 교수는 지난 2017년 11월에 발표된 ‘2017 세계에서 가장 영향력 있는 연구자(HCR)’에 재료과학과 공학 2개 분야에서 세계 상위 1%연구자로 선정되기도 했다. 참고로 선 교수는 2017년 연말에는 10년간의 연구 끝에 배터리에 사용되는 양극 입자 속 물질 농도의 조절을 통해 용량을 안전하면서도 획기적으로 높인 리튬전지 양극소재를 개발한 바 있다.