광산업 전문 매체 마이닝닷컴은 미국 뉴욕주 렌셀러공대가 리튬이온 배터리 만큼 성능이 좋은 칼륨 금속 배터리를 만드는 데 걸림돌인 수상돌기(덴트라이트)를 극복하는 기술을 개발했다며 6일 이같이 보도했다.
칼륨 금속 배터리는 양극재와 음극재를 칼륨으로 대체한 배터리다. 전기자동차와 전기 저장장치에는 리튬이온 배터리가 사용돼 왔다.문제는 리튬은 값이 비싸고 생산하는데 환경오염을 일으키는 문제가 있었다 이에 대체 배터리 개발에 많은 과학자들이 관심을 가져왔고 그중 하나가 칼륨 금속 배터리다.
칼륨은 값이 싸고 풍부한데다 작업하기 쉽다. 이에 따라 칼륨으로 배터리를 만들면 원료비와 제조 비용이 낮아질 뿐 아니라 리튬이온 배터리와 동등한 에너지 밀도로 제작할 수 있다.
문제는 리튬 배터리에 생기는 덴드라이트가 칼륨 배터리에도 생긴다는 점이다. 배터리는 방전(리튬이온이 음극에서 양극으로 이동.전력 생산)과 충전(리튬이온이 양극에서 음극으로 이동. 전력저장)을 반복하면서 전기를 생산하고 저장하는 데 이 과정에서 금속 침전물이 음극에 달라붙는다. 그 침전물들이 모여 나무 잔가지 같은 모양을 띤다.그래서 수상돌기(덴드라이트)라고 한다. 덴드라이트가 자라면서 양극과 음극을 분리하는 분리막을 뚫고 나가 배터리는 합선을 일으키기도 한다.
미국 뉴욕주 렌셀러공대(Rensselaer Polytechnic Institute) 니킬 코라트카르(Nikhil Koratkar) 교수 연구팀은 미국 국립과학원회보(PNAS) 저널에 게재한 논문에서 음극의 덴드라이트를 제거하는 자가 치유 기술을 개발했다고 발표했다.
연구팀은 배터리 양극재의 리튬 코발트 산화물과 음극재의 흑연을 모두 칼륨으로 대체했다. 연구팀은 잘 통제된 상황에서 빠른 속도로 충전과 방전을 되풀이해서 열을 올리고 그 열을 정밀하게 조절해서 활용했다. 높은 열은 칼륨금속을 녹이지는 않으면서도 금속 표면 확산을 활성화하는 것을 도와 칼륨 원자가 자기들이 만든 칼륨 더미(덴트라이트)를 옆으로 치우도록 해 결국 덴드라이트를 제거한다고 설명했다.
니킬 코라트카르 교수는 "이런 접근법으로써 밤이나 배터리를 사용하지 않을 때마다 열을 이용해 덴트라이트를 자가 치유하는 배터리관리 시스템을 가질 수 있을 것"이라면서 "성능 면에서 이것은 기존의 리튬이온 배터리에 필적할 수 있다"고 주장했다.
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