배터리 대부분은 일부 유해 물질을 함유하고 있으며 페기하면 환경을 오염시킬 수 있다. 남호주 플린더스대학과 중국 절강과학기술대학 연구팀이 무독하고 안전하며 효율적인 수성 알루미늄 이온전지 개발 1단계를 학술지(Journal of the American Chemical Society)에 보고했다.
많은 배터리에는 납, 카드뮴, 수은 등 인간과 동물에 독성이 있으며 토양과 물을 오염시키는 물질이 포함되어 있다. 이런 유해 물질은 환경에 오래 머무르는 것도 문제다. 금속 이온 전지 양극 재료로 사용될 수 있는 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실(TEMPO)은 높은 산화 환원 전위와 빠른 전기화학 반응 속도를 특징으로 한다. 하지만 TEMPO와 유도체는 불균형화와 산성 조건 하에서 니트록시드라디칼 분해가 알려져 있기 때문에 새로운 알루미늄 이온 전지에선 별로 사용되지 않는다.
연구팀은 Al³⁺, Zn²⁺, Mg²⁺을 포함한 금속 이온 전지는 지구 지각에 있는 풍부한 원소를 사용해 리튬이온 전지보다 훨씬 높은 에너지 밀도, 그 중에서도 3번째로 많은 원소인 알니늄을 이용한 알루미늄 이온 전지는 지속 가능하고 저비용 에너지 저장 시스템이 될 수 있다고 밝혔다.
하지만 알루미늄 이온 전지는 Al³⁺ 이온 착체 이동이 느리고 캐소드 효율이 낮다는 과제가 있다고 한다. 이번에 연구팀은 TEMPO 전기화학적 거동을 유기, 수성 루이스산 전해질 중에서 조사했다. 유기 전해질에서 TEMPO의 돌이킬 수 없는 불균형을 처음으로 밝혔다. 또 수성 루이스 전해질 중에선 TEMPO 전체에서 가역적인 전기화학적 산화 환원 반응이 가능해지는 걸 알 수 있었다.
이번 발견에서 연구팀은 내화성과 공기 안정성을 가진 안정적인 라디칼 폴리머 수성 알루미늄 이온 배터리를 설계했다. 재료 그램당 110mAh 용량으로 1.25V 안정된 출력을 800사이클 달성했으며 사이클당 손실은 0.028%에 불과했다.
이 연구는 공액계 유기 분자에 의존하는 알루미늄 이온 전지에 비공액계 유기 전기 활성 물질을 사용하는 게 유망하다는 걸 보여준다. 연구팀은 미래에는 생분해질 재료를 이용한 소프트팩 전지를 개발해 전지를 안전하고 지속 가능한 것으로 만들 계획이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.