칼슘 배터리

칼슘 배터리(Calcium battery) 또는 칼슘이온 배터리(Calcium (ion) batteries)는 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 2차전지이다. 이론적으로 칼슘이온을 소재로 전지를 개발할 경우 리튬이온 배터리보다 용량이 크고 에너지밀도도 높은 것으로 알려졌다.

상세

리튬이온 배터리를 대체하기 위해 칼슘이온을 이용한 2차전지 연구가 주목받고 있다. 2차전지는 이온이 전자와 함께 양극과 음극을 이동하면서 충전과 방전이 일어난다. 이 때 이동하는 전자의 수와 양극소재의 특성에 따라 배터리 용량과 전압이 결정되는데, 리튬은 이온당 한 개의 전자가 같이 이동하지만 칼슘은 이온당 두 개의 전자가 이동 가능한 2가 양이온이다. 따라서 이론상 리튬이온 배터리보다 2배의 용량이 가능하며 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다. 또한 지구상에 풍부한 원소인 칼슘을 이용하기 때문에 경제적이기도 하다.

하지만 리튬보다 큰 칼슘의 이온크기와 높은 산화수(Oxidation number)로 인해 전극물질에 구조적·전하적 변형이 발생하게 된다. 이 때문에 칼슘이온의 작동전압을 구현할 수 있는 양극소재의 개선이 필요하다. 양극소재는 방전 시 이온과 전자를 받아주고, 충전 시 이온과 전자를 음극으로 보내는 탈·삽입 과정의 주요 매개체이며, 전자의 작동전압을 결정하는 소재이다.

칼슘이온 탈·삽입 메커니즘 분석 결과의 시각적 모식도

특징

칼슘 배터리는 차세대 배터리 또는 리튬 이온 이후의 배터리 에너지 저장 시스템, 즉 리튬 이온 배터리 기술을 대체할 수 있는 많은 후보 중 하나이다. 또한 다가 배터리(multivalent battery)이다. 주요 이점은 대용량과 높은 셀 전압의 조합에 의한 비용 절감, 자원의 풍부함(41,500ppm), 높은 에너지 밀도, 그리고 잠재적으로 더 높은 출력이다. 칼슘은 지구 지각에서 다섯 번째로 풍부한 미네랄이며 가장 풍부한 알칼리성 토금속이며, 알루미늄(Al)과 철(Fe) 다음으로 세 번째로 풍부한 금속이다. 칼슘 금속 양극은 리튬이온 배털리의 현재 상용 흑연 양극보다 더 높은 부피 용량 및 중력 용량을 제공한다.

칼슘 금속 양극은 ²⁺산화 상태를 가지며, 단량계(즉, Li+와 Na+)에 비해 에너지 밀도가 더 높으며, 리튬 금속보다 0.17V 더 큰 2.9V의 표준 감소 잠재력을 가지고 있다. 칼슘 배터리는 다른 이원체 시스템과 비교했을 때 전자의 표준 감소 잠재력이 0.5V 낮아 마그네슘 배터리보다 셀 전압이 높을 가능성이 있다. 또한 Ca²⁺ 이온은 마그네슘(Mg²⁺)에 비해 반응속도가 더 빠를 가능성을 가지고 있다. 미국은 칼슘 공급원의 최대 생산국(연간 생산량 기준)이다. 다른 생산국으로는 러시아와 중국이 있다.

구성 요소

칼슘 금속 양극, 액체 전해질 삽입, 유기 또는 황 음극으로 구성된 칼슘 금속 배터리의 개략도

칼슘이온 배터리는 아직 상용화되지 않았으며 연구개발 중에 있다. 효과적인 양극 및 음극 재료와 안정적인 전해질 개발에 노력을 기울이고 있다.

양극

양극 소재의 예로는 산화 바나듐, 구리-칼슘 합금, MgV₂O₅, 흑연, 금속 칼슘 및 실리콘 양극이 있다. 칼슘 도금/스트립에 대한 최근 연구는 높은 온도에서 에틸렌 탄산/프로필렌 탄산(EC/PC) 용액에서 수행되었다. 또한 상온에서 테트라하이드로푸란과 에틸렌 탄산염과 프로필렌 탄산염의 2진 혼합물과 같은 다른 전해질에서도 나타났다. 수용성 배터리는 바나듐산 칼슘을 사용하였다. 헥사페리-헥사벤조코로네 나노그램과 같은 그래핀 유사 물질도 Ca²⁺ 양극으로 간주되었다.

DGIST 홍승태 교수 연구팀은 칼슘이온의 특징을 고려해 높은 구조적 안정성을 가진 나시콘 구조(NASICON)₂ 기반의 양극소재인 NaV₂(PO₄)₃를 개발했다. 연구팀은 NaV₂(PO₄)₃의 구조 분석과 칼슘의 탈·삽입 메커니즘 분석을 위해 분말 X선 회절기법3)을 이용했다. 이를 통해 양극소재 구조에 칼슘이온이 탈‧삽입 되는 과정에서 발생하는 구조 변화를 규명하면서 높은 용량과 작동전압이 구현 가능함을 증명했다. 이 연구 결과는 소재 화학 분야 국제학술지 '캐미스트리 오브 머티리얼스(Chemistry of Materials)' 2020년 9월 23일 자 온라인판에 게재됐다.

음극

최근에 조사된 음극에는 망간산화칼슘, 코발트산화칼슘, 이황화티타늄, 헥사시아노페레이트(hexacyanoferrates) 또는 더블 캐리어 배터리, 수용성 칼슘 이온 배터리 등이 있다. 이론적인 연구는 페로브스카이트(perovskite), 스피넬(spinel), 다른 자연발생 칼슘 화합물, 금속 셀레니드, 산화칼슘 랜타나이드와 같은 다양한 결정 구조에서 음극재의 가능성을 확인하기 위해 수행되었다.

조사된 배터리 셀

음극이 다른 여러 칼슘 금속 배터리가 현재까지 Ca//V₂O₅, Ca//Ca₄Fe₉ O₁₇, Ca/LiTiO₂, Ca/Carbon-Fiber, Ca/TiS₂, Ca//FePO₄, Ca//Ca₃Co₂O₆, Ca//PAQ, Ca//S로 조사되었다. C 레이트 범위는 0.2~5 ℃로 다양하다.

참고자료

• "Calcium battery", Wikipedia
• 조명의 기자, 〈DGIST, 칼슘이온전지 성능 높인 핵심 소재 개발〉, 《테크월드》, 2020-11-25

같이 보기

• 리튬이온 배터리

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