영남대 연구팀, 차세대 ‘알루미늄 전지’ 상용화 앞당겨

화학공학부 이기백 교수 연구팀, 리튬 이온 배터리 대비 초고속 충전용 배터리 개발

영남대학교 화학공학부 연구팀(왼쪽부터 김지수 연구원, 마이클 루비라지 교수, 이기백 교수)


한영진 기자
영남대학교 화학공학부 이기백(42) 교수 연구팀이 기존 리튬 이온 배터리 대비 충전속도를 50배이상 끌어올린 고성능 차세대 알루미늄 이온 배터리(Aluminum-Ion Battery; AIB)를 개발했다. 

급속충전 및 대용량의 전기에너지가 필요한 전기차에 활용 가능한 기술로, 학계와 산업계로부터 주목받고 있다.

알루미늄 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 우수한 사이클 수명, 뛰어난 안정성과 같은 이점으로 기존의 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다. 알루미늄 매장량이 풍부해 제조원가도 낮다.

알루미늄 이온은 전자 3개가 충·방전 반응에 참여한다. 전자 1개가 반응에 참여하는 리튬에 비해 부피 대비 이론 용량이 약 4배 높다. 

하지만 알루미늄 이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 유지하기 위해 이온의 탈·삽입이 가능한 많은 활성사이트를 가지는 양극 물질이 필요한데, 이에 대한 연구가 부족하다. 

또한, 탈·삽입의 주요 물질인 테트라클로로알루미늄산염(AlCl4-) 이온의 크기가 커서 이온 확산 속도가 느리다는 단점이 있어 상업적 적용에 한계가 있다. 

영남대 연구팀은 양극 물질인 흑연을 손쉬운 표면처리 공정기술을 통해 높은 에너지 밀도와 출력 밀도를 갖는 전극재를 개발해 알루미늄 이온 배터리의 단점을 극복했다. 

또한 초고속충전 실험을 통해 1만 사이클 동안 약 100% 효율을 보여주는 안정적인 용량 유지를 보여주는 것을 확인했다.

연구팀을 이끈 이기백 교수는 “기존 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 다가(Multi-valent) 금속이온 배터리라는 점에서 연구 가치가 높다”면서 “알루미늄 이온 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 4배 높은 부피당 용량을 가지고 있기 때문에, 부피가 한정되고 대량의 전기에너지가 필요한 전기차, 전기버스와 같은 운송수단에 적용 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 ‘초고속 충전과 안정한 사이클 수명을 위해 고밀도 흑연을 사용한 고성능 차세대 알루미늄 이온 배터리(High-Defect-Density Graphite for Superior-Performance Aluminum-Ion Batteries with Ultra-Fast Charging and Stable Long Life)’라는 제목의 논문으로 나노기술 분야 국제저명학술지 <나노-마이크로 레터스>(Nano-Micro Letters, 영향력지수(IF)=16.419)에 지난 8월 게재됐으며, 오는 12월 출간 예정이다. 

이번 연구에는  영남대 대학원 화학공학과 김지수(24, 석사4기) 씨가 제1저자, 마이클 루비라지(41, Michael Rubyraj) 교수가 공동저자, 이기백 교수가 교신저자로 참여했다.

연구팀은 다기능성 에너지 소재 및 촉매(Polyfunctional Energy Materials and Catalyst) 개발을 통해 차세대 이차전지(Next-generation Rechargeable Battery), 커패시터(Capacitor), 고성능·고내구성 수소연료전지(PEM Fuel Cell), 그린 수소 생산을 위한 수전해(Water Electrolysis) 등 에너지 저장 및 변환 기술을 연구하고 있다.
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