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중국과학원 선전(深圳) 선진기술 연구원 산하 "기능 필름 재료 연구 센터" 탕융빙(唐永炳) 연구원 연구팀은 칭화(淸華)-버클리 국제대학 청후이밍(成會明) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하고 일종 장 순환 안정성을 보유한 신형 칼륨 이온 전지(Potassium ion battery) 양극 소재(cathode material)를 개발하는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

리튬, 코발트 등은 자원 저장량이 제한되어 있는 동시에 분포가 불균형적이기 때문에 리튬 이온 전지는 대규모 에너지 저장 분야의 절박한 수요를 충족시킬 수 없는 상황이며, 칼륨 이온 전지(Potassium ion battery)는 잠재적인 저원가의 에너지 저장 방식으로서 점점 더 많은 관심을 받고 있는 상황임.

현재 칼륨 이온 전지(Potassium ion battery)의 음극과 전해질은 비교적 성숙된 상황이지만 양극 소재 발전은 상대적으로 늦은 상황인데 그 주요 원인은 칼륨 이온 반값(Potassium ion half price)이 리튬 이온을 대폭 초월하고 있으며(1.38 vs 0.76옹스트롬(angstrom)), 양극이 칼륨 이온을 탈착할 때 결정체 구조가 무너지는 상황이 쉽게 발생하여 전지 성능의 신속한 감퇴가 발생하는데 있음.

현재의 솔루션은 오픈 방식의 결정체 프레임워크 구조를 보유한 소재를 찾아내는 것인데 예를 들면 프러시안 블루(prussian blue) 유사 물질은 비교적 큰 이온 확산 채널을 통해 칼륨 이온의 자유 진출을 허용하고 있으며, 프러시안 블루 유사 물질의 격자 구조는 제조 과정에서 쉽게 용매 물 분자를 도입하는데 이런 물 분자는 한 면으로 채널 위치를 점거하고 있어 칼륨 이온의 확산을 저애하고, 다른 한 면으로 쉽게 전해질과 반응하여 전지로 하여금 쉽게 신속한 감퇴를 발생시키게끔 하고 있는 상황임.

이런 상황에 근거하여 오픈 방식의 결정체 프레임워크 구조를 보유한 화합물을 찾는 과정에서 연구팀은 일종 높은 안정성을 보유하고 있는 오픈 방식의 결정체 프레임워크 구조를 보유한 불소 초산염 폴리 음이온 칼륨 양극 소재(KFeC2O4F)를 개발하는데 성공하였음.

연구팀이 개발한 양극 소재의 3차원 구조를 보유한 프레임워크 속에는 4.3x4.2옹스트롬(angstrom), 6.3x3.7옹스트롬(angstrom) 등 여러 개 사이즈 채널을 함유하고 있으며, 탈착 칼륨이 발생시킨 체적 변화는 7.6%밖에 되지 않고 있으며, 높은 안정성을 보유한 LiFePO4 양극 소재와 동일한 수준(~7.8%)에 도달하고 있으며, 프레임워크는 "호흡"을 통해 칼륨 이온의 가역 탈착을 허용하는 동시에 Fe2+/Fe3+의 산화환원 반응을 동반하게 되는 것으로 나타났음.

이런 칼륨 양극 소재는 0.2A g-1의 전류 하에서 112mAh g-1의 가역 용량과 우수한 순환 안정성을 발휘하며, 2,000회 순환을 거친 후에도 용량은 94% 수준을 유지하고 있는 것으로 나타났는데 이런 칼륨 양극 소재는 큰 규모의 에너지 저장 분야에서 잠재적인 응용 전망을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 성과는 저렴한 금속에 기반 한 신형 칼륨 양극 소재 개발을 위해 혁신적인 아이디어를 제공하고 있음.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("A fluoroxalate cathode material for potassium-ion batteries with ultra-long cyclability")지에 게재됨.