현재, 화학축전지는 전환효율이 높고 자유롭게 응용할 수 있는 특징을 가지고 있기에 이미 용량에너지(scale energy storage) 주요 기술 중 하나로 되었다. 그러나 기존의 전지는 용량에너지의 응용요구를 만족시킬 수 있는 것이 하나도 없다. 예를 들면, 기존의 대용량을 적용한 납축전지(lead-acid batteries)는 수명이 짧고 기능성이 낮을 뿐만 아니라 한경을 오염시킬 수 있고 바나듐 레독스 흐름전지(Vanadium Redox Flow Battery)의 원가는 너무 높다.

원칙적으로 용량에너지 응용에 적합한 전지는 반드시 원가가 낮고 친환경적이며 안전하고 신뢰할 만한 특징을 가지고 있어야 할 뿐만 아니라 고에너지와 고출력(High Power)의 특징을 동시에 구비해야 한다. 이에 기초하여, 유기 이온전지의 연구를 수용액 전해질체계로 확장하고 수용액 전해질의 고안전성, 고전도성, 낮은 원가 등 특징을 이용하여 용량에너지에 적합한 새로운 전지를 개발하는 것은 미래 축전지기술의 중요한 발전방향이기도 하다.

그러나 낮은 작동전압은 기존에 새로운 수계(water system) 이온전지의 발전을 제약하는 주요한 문제 중 하나이다. 이 문제에 대하여 중국과학원 녕파(Ning-bo City)재료기술과 공정연구소 동력리튬전지공정실험실의 연구자는 새로운 고전압 수계 이온전지에 대한 탐색에서 일련의 성과를 얻었다.

이 실험실에서 연구자는 2013년에 리튬-나트륨 혼합이온 전해질의 개념으로 새로운 수계 이온전지(Sci. Rep., 2013, 3, 1946)를 처음으로 제안하였고 이에 기초하여 또한 리튬-칼륨과 나트륨-칼륨 혼합이온 전해질의 새로운 개념으로 수계 이온전지를 확장식으로 구축할 것을 제안하였다. 이 새로운 전지의 동작전압(operating voltage)은 1.45V이고 비에너지는 43Wh/Kg에 달했으며 관련된 연구내용은 ChemSusChem(2014, 7(8), 2295-2302)에 발표되었으며 또한 중국 발명특허(201410108023.4)를 신청하였다.

이런 기초에서 실험실의 연구자는 또한 아연-철 시안착염(cyanide complexes)은 아연 이온전지 양극활성 물질(cathode material)로 사용될 수 있고 금속 아연을 음극으로, 아연-철 시안착염을 양극으로 일종의 새로운 고전압 수계 아연이온전지를 구축할 수 있다는 것을 발견하였다. 이 전지의 동작전압은 1.7V에 달하여 지금까지 보고된 기존의 수계 이온전지의 최고값 중 하나이다. 이 연구결과는 Communication 형식으로 Adv. Energy Mater. 저널에 온라인으로 발표(DOI:10.1002/aenm.201400930)되었으며 또한 중국 발명특허(201410228197.4)를 신청하였다.

위의 연구성과는 기존의 전지이론에 대한 중요한 보완과 혁신일 뿐만 아니라 장래에 새로운 전지를 디자인하고 발전하는데 새로운 아이디어와 새로운 방향을 제공하였다. 이 연구내용은 중국 국가자연과학기금위원회, 과학기술부, 중국과학원과 녕파시 프로젝트의 지원을 받았다.

그림 1: 리튬-칼륨과 나트륨-칼륨 혼합 이온전지
그림 2: 아연 이온전지

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 9월 12일]