칼륨 배터리, 에너지 밀도 172.8 Wh/kg 실험 성공...상용화 관문은 양극 재료

재생에너지 확대에 따라 대용량 전력 저장 수요가 늘면서 칼륨(K) 이온 배터리가 새로운 대안으로 부상하고 있다. 아시아리서치뉴스는 지난 7일(현지시각) 국제학술지 '첨단 소재의 과학 및 기술'(Science and Technology of Advanced Materials) 지난해 7월 온라인판에 발표된 리뷰 논문을 인용해 "칼륨 이온 배터리가 나트륨(Na) 이온 배터리보다 더 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있다"고 보도했다.
동국대 화학에너지공학과 임은호 교수는 논문에서 "칼륨은 매장량이 풍부하고 가격이 낮아 유망한 대안이지만, 칼륨 이온 특성에 맞춘 양극 설계가 관건"이라고 말했다.

◇ 흑연·셀렌화물·유기 전극 비교

연구진은 흑연, 전이금속 셀렌화물, 유기 전극 등 6가지 양극 후보를 대상으로 삽입 반응형 소재의 안정성, 전환·합금 반응형 소재의 고용량, 다공성 구조로 전자·이온 전도성 강화 등 세 가지 관점에서 장단점을 비교했다. 논문은 "양극 물질의 구조와 전기화학 특성이 배터리 용량과 수명을 결정짓는다"고 지적했다.
◇ 172.8 Wh/kg·6000주기 성능 확인

중국 연구팀은 코발트·주석 셀렌화물(CoSe₂/SnSe₂)과 탄소 나노섬유를 결합한 양극으로 활성 물질 25.3 mg/cm² 조건에서 면적용량 7.58 mAh/cm², 에너지 밀도 172.8 Wh/kg(0.05 A/g)을 달성했다. 이 전지는 6000회 충·방전 뒤에도 초기 용량의 78%를 유지해 주기당 용량 저하율이 0.004%에 그쳤다.

또 다른 연구에서는 철 옥살레이트(KFeC₂O₄F) 양극과 소프트카본 음극 조합이 235 Wh/kg, 프러시안 화합물 기반 전지가 260 Wh/kg·1000주기 수명을 기록해 상용 리튬 배터리(150∼250 Wh/kg)와 견줄 만한 성과를 냈다.

◇ 양극 설계 전략과 과제
임 교수는 "고농도 전해질과 코팅 기술로 흑연 음극 열화를 막은 사례처럼, 물질 간 상호작용을 정밀 분석해 전극 구조를 최적화해야 한다"고 설명했다. 시장 관계자는 "칼륨 배터리는 원료비와 열 안정성에서 강점을 보여 에너지 저장장치(ESS) 시장에서 변곡점을 만들 것"이라고 평가했다.

논문은 앞으로 칼륨 저장 메커니즘 규명, 실험실 성과를 대형 셀로 확장, 안전성 평가 강화 등 연구 과제를 제시했다. 임 교수팀은 리튬 배터리 성능에도 뒤지지 않는 차세대 양극 소재 개발에 도전할 계획이다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com