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우리가 사는 지구 표면의 약 70퍼센트는 물로 이루어져 있다. 그리고, 그 중 97퍼센트가 바로 바닷물(해수)이다. 사실상 무한한 자원인 바닷물은 염분을 포함하고 있어 식수로는 적합하지 않지만 차세대 에너지원으로서 새롭게 주목받고 있다.

최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 철강·에너지소재대학원 조창신 교수, 화학공학과 박사과정 정혜빈 씨 연구팀은 킬레이트제1)를 첨가한 해수전지의 우수성을 확인하고, 이를 해수전지에 적용했다. 이번 연구는 최근 국제 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재됐다.

▲ POSTECH 철강·에너지소재대학원 조창신 교수(좌)와 화학공학과 박사과정 정혜빈 씨

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. 해수전지의 양극재로 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.