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그림 1> 점토 기반의 전해질/분리기를 가진 전지를 섭씨 120도까지 실험하였으며,

120회의 충전과 방전 사이클 후에도 뛰어난 성능이 유지되었다.

재충전가능한 리튬-이온 전지를 혹독한 조건에서도 사용할 수 있도록 하는 점토 기반의 전해질(claybased electrolyte)을 포함한 재료들의 독특한 결합방식이 라이스 대학(Rice University) 연구팀에 의해 개발되었다.
이번에 소개된 리튬-이온 전지 기반의 전지는 섭씨 120도의 고온에서도 안정적인 전기화학적 동력을 제공할 수 있을 정도로 강력하다.
이런 전지는 우주, 방위 및 오일/가스 분야 등에서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

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그림 2> 라이스 대학 연구팀이 개발한 점토 기반의 화합물로,

고온의 환경에서 리튬-이온 전지를 위한 전해질 및 분리기에 사용할 수 있다.


라이스 대학 및 웨인 주립대학(Wayne State University)의 연구팀은, 본 연구결과를 ACS Applied Materials and Interfaces지에 11월에 게재하였다.
슈퍼커패시터(supercapacitor)에 대한 이전에 연구에서와 마찬가지로, 본 발견은 벤토나이트 점토(bentonite clay)의 전연성과 분리기(separator) 및 전해질 시스템으로 이용되는 상온 이온성 액체(room-temperature ionic liquids)에 기반을 두고 있다.


상온 이온성 액체는 전지의 음극과 양극 사이에서 전도성 경로를 제공한다.
본 연구의 주저자이자 Pulickel Ajayan 연구실의 박사과정 학생인 Kaushik Kalaga에 따르면, 점토는 원래 다량의 수분을 포함하고 있으며 슈퍼커패시터를 제작하고자 할 때 아무런 문제가 되지 않는다고 한다.
그러나 충전 및 방전하고자 할 때, 전해질 상에 리튬 이온을 양쪽 전극 간으로 리튬 이온을 이동시키기 위한 리튬-이온 전도성 종(conductive species)이 필요하다.


리튬은 물과의 반응성이 매우 크기 때문에, 연구팀은 우선 점토의 구조를 그대로 유지하면서 수분을 제거해야 하는 문제를 해결해야만 했다.

Kalaga 등은 일반적인 점토 입자를 섭씨 650도에서 한 시간 동안 구워서 건조시키는 작업부터 시작하였다.
그리고 상온 이온성 액체 및 리튬 염(lithium salt)을 혼합하고 산소가 없는 글러브 박스(glove box)에서 점토와 혼합하였다.


액화된 염은 전해질을 통해 전극으로 전도하는 리튬 이온의 공급원 역할을 한다.
연구팀은 최종 땅콩버터와 같은 슬러리(slurry)를 리튬 금속 전극 사이에 펴 발랐으며, 다양한 온도 조건에서 실험하기 위해 동전 모양의 전지를 적용하였다.
전형적인 유기 전해질은 섭씨 60도 이상에서 전지에 사용할 수 없는데, 유기 전해질의 낮은 끓는점 때문이다. 섭씨 80도가 넘으면 증기가 형성되어 폭발을 야기한다.


고체상태 전해질을 갖춘 전지는 고온에서 사용할 수 있지만, 전해질과 전극 간의 접촉이 잘 이루어지지 않아 성능을 저하시킨다.
연구팀은 내구성과 전도성이 뛰어나면서도 전극에 최대 표면적을 제공할 수 있는 전해질을 제작하였다.
개발된 샘플은 120회의 충전-방전 사이클 이상에서도 3볼트의 안정적인 전압 원도우(voltage window)를 유지하면서 고온에서도 전류를 전송할 수 있었다.
또한 고체 상태 전해질의 안정성과 액체 전해질의 젖음성을 모두 갖추고 있어서, 전극과의 양호한 접촉을 유지할 수 있었다.


전압 원도우는 전해질이 안정적일 때와 화학적으로 분해되었을 때의 범위를 지칭한다.
점토 기반의 전해질은 점도가 낮으면서도 적어도 150도까지는 일관성이 유지된다. 다음 연구는 이 온도한계를 더욱 개선하는 것이라고 Kalaga는 밝혔다.


이 재료의 특성으로 말미암아, 얇은 필름에서 상업용 규모에 이르기까지 다양한 형태의 전지를 제작하는데 유용하다.
극한 환경에서 작동하는 에너지 저장 기기의 활용도는 많으며, 운전 조건의 폭을 넓히기 위해서는 재료 시스템 특히 전해질 부문에서 혁신이 필요하다고 Ajayan은 강조하였다.

위 자료는 KISTI 미리안 <글로벌통향브리핑>의 발표자료를 요약한 것이다.

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