새로운 칼슘 이온 배터리 설계로 리튬 없이도 고성능을 구현합니다.

연구진은 이온의 이동 속도를 높이고 수명을 연장하는 새로운 전해질을 사용하여 칼슘 이온 배터리의 성능을 획기적으로 향상시켰습니다. 이번 연구 성과는 재생 에너지와 전기 자동차에 동력을 공급하는 풍부한 리튬이 필요 없는 배터리의 등장을 위한 길을 열어줄 것으로 기대됩니다. (사진 제공: Shutterstock)

홍콩과학기술대학교(HKUST) 과학자들이 일상생활에서 에너지를 저장하고 사용하는 방식을 혁신적으로 바꿀 수 있는 칼슘 이온 배터리(CIB) 연구의 중요한 진전을 발표했습니다. 연구팀은 준고체 전해질(QSSE)을 활용하여 성능과 지속가능성을 모두 향상시킨 새로운 유형의 CIB를 개발했습니다. 이 기술은 신재생 에너지 저장 시스템부터 전기 자동차에 이르기까지 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 이번 연구 결과는 "산화환원 활성 공유 결합 유기 골격 전해질을 이용한 고성능 준고체 칼슘 이온 배터리(High-Performance Quasi-Solid-State Calcium-Ion Batteries from Redox-Active Covalent Organic Framework Electrolytes)"라는 제목으로 학술지 Advanced Science 에 게재되었습니다.

각국이 재생에너지 생산을 확대함에 따라 안정적이고 효율적인 배터리 저장 장치에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다. 현재 리튬이온 배터리(LIB)가 시장을 주도하고 있지만, 리튬 자원의 제한과 에너지 밀도의 실질적인 한계에 대한 우려가 여전히 남아 있습니다. 이러한 제약으로 인해 장기적인 세계 에너지 수요를 충족할 수 있는 대체 배터리 화학 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

칼슘 이온 배터리는 칼슘이 풍부하고 리튬 이온 배터리와 유사한 전기화학적 범위를 제공하기 때문에 주목받고 있습니다. 그러나 기술적 장벽으로 인해 개발이 더디게 진행되어 왔습니다. 특히, 배터리 내부에서 칼슘 이온의 효율적인 이동이 어렵고, 반복적인 충방전 주기 동안 안정적인 성능을 유지하는 것이 어려운 과제로 남아 있습니다. 이러한 문제들로 인해 칼슘 이온 배터리는 기존 리튬 기반 시스템과 직접적인 경쟁을 펼치지 못했습니다.

준고체 전해질은 이온 수송을 향상시킵니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 홍콩과학기술대학교 화학생물공학과 김윤섭 부교수 연구팀은 산화환원 공유결합 유기 골격(COF)을 설계하여 QSSE(양성 고체 전해질)로 기능하도록 했습니다. 이 카르보닐기가 풍부한 물질은 상온에서 높은 이온 전도도(0.46 mS cm⁻¹)와 Ca²⁺ 수송 능력(>0.53)을 나타 냈습니다.

연구진은 실험실 실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 Ca²⁺ 이온이 공유 결합 유기 골격의 구조화된 기공 내부에 정렬된 카르보닐기를 따라 빠르게 이동한다는 사실을 발견했습니다 . 이러한 조직화된 내부 경로가 이온 이동성 향상과 전반적인 배터리 성능 개선을 설명하는 데 도움이 됩니다.

1,000회 이상의 사이클 동안 뛰어난 성능

이 설계를 활용하여 연구팀은 0.15 A g⁻¹에서 155.9 mAh g⁻¹ 의 가역 비용량을 제공하는 완전한 칼슘 이온 배터리 셀을 조립했습니다 . 심지어 1 A g⁻¹의 전류 밀도에서도 이 배터리는 1,000회 충방전 주기 후에도 용량의 74.6% 이상을 유지했습니다. 이러한 결과는 산화환원 공유 결합 유기 골격(ROF)이 칼슘 이온 배터리(CIB) 기술을 크게 강화할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.

김 교수는 "이번 연구는 리튬 이온 기술의 지속 가능한 대안으로서 칼슘 이온 배터리의 혁신적인 잠재력을 보여줍니다. 산화환원 공유 결합 유기 골격의 고유한 특성을 활용함으로써, 더욱 친환경적인 미래의 요구를 충족할 수 있는 고성능 에너지 저장 솔루션을 구현하는 데 중요한 발걸음을 내디뎠습니다."라고 말했습니다.

본 연구는 홍콩과학기술대학교와 상하이 자오퉁대학교의 공동 연구를 통해 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/02/260212234154.htm