【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 철강·에너지소재대학원 조창신 교수, 화학공학과 박사과정 정혜빈 씨 연구팀이 킬레이트제를 첨가한 해수전지의 우수성을 확인하고, 이를 해수전지에 적용한 연구결과를 최근 국제 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재했다.

▲ 조창신 교수

연구팀에 따르면 리튬 이온 배터리는 휴대용 전자기기나 자동차 전지에 널리 사용된다. 그러나 리튬 이온 배터리는 폭발의 위험이 있고, 무엇보다 리튬이 고갈될 경우, 배터리 생산이 불가능한 단점이 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해 차세대 전지 개발이 활발하게 이루어지고 있는데, 그 중 하나가 바로 바닷물을 활용한 ‘해수전지(Seawater batteries)’다. 해수전지는 바닷물의 나트륨 이온을 활용하여 에너지를 생산하는 전지로 상대적으로 자원 공급이 쉽다는 장점이 있다. 또, 별도의 처리 과정 없이 해수를 바로 사용하기 때문에 환경친화적이다.

바닷물이 짠 이유는 바로 나트륨 이온 때문인데, 이 나트륨 이온이 해수전지의 양극과 음극을 오가며 전기 에너지를 생성하고 저장한다. 해수전지의양극재로 사용되는 니켈헥사시아노페레이트(Nickelhexacyanoferrate,이하 NiHCF)는 제작과정에서 결함이 많이 생기는 문제점이 있다. 연구팀은 이번 연구에서‘킬레이트제를 첨가한 NiHCF(이하 샘플 A)’를 합성했다. 그리고 킬레이트제의 효과를 확인하기 위해 샘플 A와 ‘별도의 처리 과정을 거치지 않은 NiHCF(이하 샘플 B)’를 비교했다.

먼저, 두 샘플을 현미경으로 관찰해보면 형태와 구조에서 그 차이가 두드러진다. 샘플 B는 나노 크기의 입자가 무작위로 응집되어 마이크로미터(μm) 크기의 입자가 형성되어 있는 반면, 샘플 A는 200~300 나노미터(nm) 크기의 정육면체 입자가 개별적으로 형성되어 있다. 입자 자체의 크기는 샘플 B가 더 작지만 여러 입자가 모여 큰 응집체를 형성하고 있기 때문에 전지 생산에 더 불리하다.

이어, 연구팀은 두 샘플의 전기화학적 성능을 비교했다. 먼저 수분 함량을 측정한 결과, 샘플 A가 B에 비해 수분 함량이 더 낮았다. 일반적으로 수분 함량이 높을수록 전기화학적 성능이 저해된다. 또, 전류와 전압 측정을 통해 샘플 A의 에너지 효율이 더 높고, 용량도 더 큰 사실을 확인했다.

두 샘플을 사용한 각 전지에 대해 학계 최초로 충전과 방전을 2,000회 반복한 결과, 샘플 A를 사용한 전지가 약 92.8퍼센트의 높은 용량 유지율을 보였다. 또, NiHCF의 단점이었던 결함 생성율도 샘플 A에서 6퍼센트로 감소함을 확인했다.

연구팀은 이번 연구에서 킬레이트제를 첨가한 NiHCF, 그리고 이 NiHCF를 사용한 해수전지의 우수성을 확인했다. 이를 바탕으로 차세대 전지로서의 활발한 연구가 진행될 것으로 기대한다.

한편, 이 연구는 한국연구재단과 한국에너지기술평가원 사업의 지원으로 수행됐다. 

<구글번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 POSTECH Professor Chang-Shin Cho’s research team confirmed the excellence of seawater batteries using chelating agents

POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) Graduate School of Steel and Energy Materials Professor Chang-Shin Cho and Ph.D. student Hye-Bin Jung's research team confirmed the excellence of seawater batteries with chelating agents added, and published the results of their application to seawater batteries in a recent international journal. It was published in the Chemical Engineering Journal.

According to the research team, lithium-ion batteries are widely used in portable electronic devices and automotive batteries. However, lithium ion batteries have a risk of explosion, and above all, when lithium is depleted, there is a disadvantage in that battery production is impossible.

In order to overcome these limitations, the development of next-generation batteries is actively being carried out, and one of them is 'Seawater batteries' using seawater. Seawater batteries are batteries that produce energy by utilizing sodium ions in seawater, and have the advantage of being relatively easy to supply. In addition, it is environmentally friendly because it uses seawater directly without a separate treatment process.

The reason why seawater is salty is because of sodium ions, which generate and store electrical energy by going back and forth between the anode and cathode of the seawater battery. Nickelhexacyanoferrate (NiHCF), which is used as a cathode material for seawater batteries, has a problem in that many defects occur during the manufacturing process. In this study, the research team synthesized NiHCF (Sample A below) with a chelating agent added. And to confirm the effect of the chelating agent, sample A was compared with NiHCF (hereinafter referred to as sample B) that had not undergone a separate treatment process.

First, when the two samples are observed under a microscope, the difference in shape and structure is striking. In Sample B, nano-sized particles are randomly aggregated to form micrometer (μm)-sized particles, whereas in Sample A, 200 to 300 nanometer (nm) cubic particles are individually formed. The size of the particles themselves is smaller in sample B, but it is more unfavorable to battery production because several particles gather to form a large aggregate.

Next, the research team compared the electrochemical performance of the two samples. First, as a result of measuring the moisture content, sample A had a lower moisture content than sample B. In general, the higher the moisture content, the lower the electrochemical performance. In addition, through current and voltage measurements, it was confirmed that sample A had higher energy efficiency and larger capacity.

As a result of repeating charging and discharging 2,000 times for each battery using the two samples, for the first time in the academic world, the battery using sample A showed a high capacity retention rate of about 92.8%. In addition, it was confirmed that the defect generation rate, which was a disadvantage of NiHCF, was reduced to 6% in Sample A.

In this study, the research team confirmed the superiority of NiHCF with the addition of a chelating agent and a seawater battery using this NiHCF. Based on this, it is expected that active research will be conducted as a next-generation battery.

Meanwhile, this research was conducted with the support of the National Research Foundation of Korea and the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning.