첨단소재공학과 박승근 교수

첨단소재공학과 박승근 교수 연구팀이 고성능 칼륨 이온전지를 위한 3차원 구조를 가진 차세대 전극 소재 합성 기술을 개발했다.

칼륨 이온전지는 전하전달을 위해 칼륨 이온(K+)을 활용하는 전지로서 높은 가격 경쟁력으로 인해 기존 리튬 이온전지를 대체할 수 있는 차세대 전지 시스템으로 주목받고 있다. 그러나 리튬이온 대비 2배 가까이 큰 칼륨이온은 충방전 과정에서 상대적으로 전극 소재의 열화현상을 쉽게 일으켜 이를 해결하기 위한 전극 소재 기술 개발이 필수적이다.

사진설명. 차세대 3차원 음극소재 합성 공정에 관한 모식도

연구팀은 초음파 분무 열분해 공정을 통해 2차원 맥신(MXene) 소재의 구형화를 유도함과 동시에 셀렌화철을 복합화하여 3차원 볼(ball) 형상의 전극 소재를 대량 합성하는데 성공하였다. 개발된 소재는 기존 칼륨 이온전지 전극 소재 대비 높은 저장 용량을 가지며, 200회 가량 충방전을 반복하였을 때에도 안정적인 용량을 보여주었다.

또한, 다양한 분석 기법을 통해 합성된 소재의 충방전 과정 동안 구조/저항 변화를 추적하고, 이를 바탕으로 칼륨 이온 저장 메커니즘을 규명하여 성능 향상의 요인을 파악하였다.

연구팀은 “칼륨 이온 전지 소재에 대한 연구가 아직까지 초기 단계인 만큼 고성능 3차원 소재 합성 기술을 조기에 확보했다는 측면에서 매우 의미 있는 연구 결과” 라며, “아직까진 거쳐야할 단계가 많지만, 이번 연구가 칼륨 이온 전지 상용화에 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

사진설명. 합성된 차세대 3차원 음극소재의 전자현미경 사진

우리 대학 연구팀과 고려대학교 강윤찬 교수팀이 공동으로 발표한 이번 논문(Carbon―coated three―dimensional MXene/iron selenide ball with core―shell structure for high―performance potassium―ion batteries)은 재료 분야 저명 학술지 ‘Nano-Micro Letters'(2020 인용지수 16.419)의 12월 6일자 온라인 게재되었다.