10,000번 충방전 사이클을 지닌 알루미늄 배터리

(A porous salt produces a solid-state electrolyte that facilitates the smooth movement of aluminum ions, improving this Al-ion battery's performance and longevity. Credit: Adapted from ACS Central Science 2024, DOI: 10.1021/acscentsci.4c01615)

현재 배터리의 대세는 리튬 이온 배터리이지만, 한정된 자원이고 폭발과 화재 위험성이 있다는 점 때문에 꾸준히 다른 대안이 연구되고 있습니다. 그중 하나는 알루미늄입니다. 베이징 이공대학의 케 구오 (Ke Guo,

Institute of Advanced Structural Technology, Beijing Institute of Technology)와 동료들은 충방전 사이클이 리튬 이온 배터리보다 현저하게 많은 10,000회에 달하는 알루미늄 이온 배터리를 개발했습니다.

알루미늄은 매우 흔한 금속일 뿐 아니라 화재 위험성이 낮아 배터리 소재로 많은 연구가 이뤄지고 있습니다. 하지만, 전해질로 사용하는 액체 염화 알루미늄 (aluminum chloride. AlCl3)이 알루미늄 양극을 부식시킬 뿐 아니라 습기에 약하다는 문제가 있어 빠르게 충방전 효율이 감소하고 수명이 짧다는 문제가 있습니다.

연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 불화 알루미늄 (aluminum fluoride) 염을 이용한 고체 전해질을 사용했습니다. 많은 구멍을 지닌 다공성 불화 알루미늄염 고체는 알루미늄 이온이 쉽게 전해질과 전자를 주고받을 수 있게 도와주고 전극을 부식시키지 않습니다. 또 여기에 더해 전극 소재를 fluoroethylene carbonate로 만들어 시간이 지남에 따라 알루미늄 결정이 생기고 효율이 떨어지는 것도 막았습니다.

연구팀이 개발한 이 전고체 알루미늄 이온 배터리 (solid-state Al-ion battery)는 1만 회의 충방전 사이클을 거쳐도 1% 정도밖에 용량이 줄이 않는 특징을 지니고 있습니다. 이는 수십년 간 사용해도 되는 수준으로 장기적인 에너지 저장 수단으로 사용하기에는 비교적 수명이 짧은 리튬 이온 배터리의 단점을 극복할 수 있는 수준입니다.

다만 상업화를 위해서는 앞으로 가야할 길이 많습니다. 특히 배터리의 에너지 저장 밀도를 높이는 것이 중요합니다. 리튬 이온 배터리가 크게 성공한 비결 역시 에너지 저장 밀도에 있습니다. 리튬 이온 배터리의 에너지 저장 밀도를 따라잡을 수 있는 다른 소재 기반의 배터리가 나올 수 있을지 주목됩니다.

참고

https://techxplore.com/news/2025-01-eco-friendly-aluminum-battery-minimal.html#google_vignette

Ke Guo et al, A Recyclable Inert Inorganic Framework Assisted Solid-State Electrolyte for Long-Life Aluminum Ion Batteries, ACS Central Science (2024). DOI: 10.1021/acscentsci.4c01615

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