리튬이온전지는 환경 부하가 높고 수요 탓에 가격이 올라가고 있다. 이런 점 때문에 대체 전지 개발이 요구되고 있는 것. 이런 가운데 지금까지 간과했던 철을 이용한 충전 가능한 철 이온 전지가 개발되어 눈길을 끈다.
리튬이온 전지는 에너지 밀도가 높기 때문에 다양한 전자기기에 이용되지만 과충전 보호가 필요하며 단락으로부터 보호할 필요가 있다. 제조에도 대량의 물을 필요로 하는 광물을 채굴할 때 유독 화학 물질을 이용해 환경이 오염되는 등 온갖 문제가 있다. 또 리튬이온전지는 수요가 늘어나 가격이 올라가고 있다는 문제도 있어 에너지 수요에 맞는 새로운 전지 개발이 급선무다.
이런 가운데 인도 마드라스공대 연구팀이 새로운 철 이온 배터리를 개발했다고 발표했다. 연구팀은 리튬 대신 철을 이온 전하 수단으로 이용했다. 철은 다른 금속보다 저렴하고 이온 반경이 리튬이온과 같을 만큼 작고 산화환원 전위가 리튬이온보다 높다는 장점이 있다. 하지만 지금까지 충전식 금속 이온 배터리 재료로는 간과해왔던 것이다.
연구팀은 철 이온 전지 개발에 착수했지만 전지에 적합한 전해질 개발 과제가 있었다. 개발한 철 이온 전지는 한쪽 전극에 금속 산화물을, 다른 하나 전극에 연강을 이용했다. 이를 통해 리튬이온 배터리의 60% 성능을 만드는 데 성공했다는 것.
철은 충전 중 덴드라이트 모양으로 되지 않아 단락이 발생하기 어렵다고 한다. 따라서 리튬이온 전지보다 비용 효율이 높고 쇼트 등 위험성은 낮아진다는 설명이다. 또 리튬이온 전지를 제조할 때 리튬의 반응 특성 탓에 통제된 환경에서 실시해야 하는데 이는 제조비용 증가로 이어진다. 이와 달리 철 이온 배터리는 자연 대기 중에서 제조할 수 있다. 연구팀은 실험에서 자연 환경에서 만든 철 이온 배터리가 제어된 환경에서 만든 철 이온 배터리의 72% 성능을 제공한다는 걸 보여줬다.
이 연구는 철이 이온의 전하 캐리어로 이용할 수 있다는 점을 증명한 첫 번째 것이다. 8월 기준으로 철 이온 전지는 150사이클 충방전이 가능하며 50사이클 후 용량 유지율은 54%였다. 한편 에너지 밀도는 220와트시 킬로그램이지만 최적화와 테스트를 반복해 높은 에너지 밀도를 제공할 것으로 기대되고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.