전남대 박찬진 교수 연구팀, 저렴하고 안전한 배터리 길 열었다

전남대학교 박찬진 교수 연구팀이 값싸고 자원이 풍부한 ‘칼륨이온전지’를 더 오래, 더 안전하게 쓸 수 있는 핵심 기술을 개발했다. 이 전지는 향후 대형 에너지 저장장치(ESS)를 위한 차세대 배터리로 주목받고 있다.

13일 전남대에 따르면 공과대학 신소재공학부 박찬진 교수 연구팀이 저비용 고안전 차세대 전지로 주목받는 ‘칼륨이온전지(KIB)’의 핵심 양극 소재 기술을 개발했다. 이번 성과는 저가 망간계 소재에 아연 도핑과 코팅을 결합해 배터리 수명과 안정성을 동시에 크게 향상시킨 데 의미가 있다.

리튬이온전지의 대안으로 떠오르는 칼륨이온전지는 자원이 풍부하고 원가가 낮아, 향후 에너지저장장치(ESS)나 대형 전력망에 적합한 기술로 주목받고 있다.

박 교수팀은 망간(Mn)을 주성분으로 한 층상 산화물(K0.45MnO2)에 아연(Zn)을 도핑하고, 표면에 칼륨탄탈산염(KTaO3) 나노코팅을 적용하는 ‘이중 안정화’ 전략을 개발했다. 이를 통해 기존 소재에서 흔히 발생하던 격자 붕괴와 전해질과의 부반응, 수명 저하 문제를 동시에 해결했다.

Zn 도핑은 소재 내부의 격자 왜곡(Jahn-Teller 왜곡)을 완화하고 칼륨이온이 이동할 수 있는 경로를 확장시켰다. 동시에 KTaO3 코팅은 입자 표면에서의 화학적 분해 반응을 차단해 계면 안정성을 향상시켰다.

실제 성능 평가 결과, 개발된 양극 소재(KTO/KMZO-1)는 200회 이상 충·방전 후에도 초기 용량의 80%를 유지해 기존 대비 약 1.7배 향상된 수명을 보였다. 하드카본 음극과 조합한 완전지(Full Cell) 실험에서도 높은 에너지 밀도와 출력 특성을 보여, 실제 적용 가능성을 입증했다.

이번 성과는 에너지 저장 분야의 권위있는 학술지 Energy Storage Materials (논문 영향력 지수=20.4)에 6월 온라인 게재되었으며, 박찬진 교수가 교신저자로 참여했다.

논문 제목: Structurally stable P3-type K₀.₄₅MnO₂ cathode with a KTaO₃ protective layer for high-performance potassium-ion batteries

박 교수는 “칼륨이온전지는 리튬보다 저렴하고 자원이 풍부해 미래 대규모 저장시스템의 대안으로 주목받고 있다”며 “이번 기술은 소재의 구조와 계면을 동시에 안정화시킴으로써 차세대 배터리 상용화에 실질적인 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF)과 국가과학기술연구회(NST)의 지원으로 수행됐다.