1000회 충전에도 용량 74% 유지…칼슘 배터리 상용화 기대↑

연구에서 제작한 공유결합 유기 골격 기반 준고체 전해질의 합성 과정과 작동 가능한 전체 전지의 개략도 [사진: 홍콩 과기대]

[디지털투데이 AI리포터] 기존 리튬이온 배터리의 에너지 밀도 한계와 안전성 문제를 극복할 대안으로 꼽히는 칼슘이온 배터리가 최근 홍콩 연구진의 기술적 돌파구를 통해 상용화에 필요한 핵심 이정표를 달성하며 차세대 배터리 시장의 주목을 받고 있다.

6일(현지시간) IT매체 폰아레나에 따르면, 홍콩 과기대 김윤섭 교수팀은 반복적인 충·방전 과정에서 전극이 부식되는 기존 칼슘 전해질의 단점을 보완한 '준고체 칼슘 전해질' 개발에 성공했다. 이 새로운 전해질은 이온 이동 효율을 높이는 동시에 배터리 마모를 억제하는 특성을 지녔으며, 저전류 조건에서 표준 리튬이온 배터리에 근접하는 에너지 밀도를 구현한 것으로 확인됐다.

특히 이번 연구의 가장 큰 성과는 수명 유지력으로, 1000회의 충·방전 사이클 이후에도 초기 용량의 74%를 유지하는 기록을 달성했다. 이는 이미 일부 리튬이온 배터리의 성능을 상회하는 수준이며, 전압을 3.6V까지 높일 경우 이론적 용량이 리튬이온 배터리의 한계치를 크게 웃도는 1800Wh/L까지 상승할 수 있어 잠재력이 매우 높은 것으로 평가받는다.

칼슘은 지각에서 다섯 번째로 풍부한 자원으로 리튬보다 구하기 쉽고 저렴하며, 녹는점이 높아 화재 위험에서도 상대적으로 안전하다는 장점이 있다. 또한 이론적인 에너지 밀도 상한선이 3,202Wh/L에 달해 현재 최상위권인 실리콘-탄소 리튬이온 배터리(2800Wh/L)보다 효율적이다. 다만 칼슘 이온은 리튬보다 입자가 커서 이동 속도가 느리며, 이로 인해 급속 충전이 어렵다는 점은 스마트폰 등 모바일 기기 적용을 위해 해결해야 할 과제로 남아 있다.

상용화 시점은 관련 인프라 구축과 정제 시설 마련 등의 이유로 향후 5~10년 뒤로 전망되지만, 이미 중국 연구팀이 웨어러블 기기와 스마트폰을 구동할 수 있는 칼슘-산소 배터리를 시연하는 등 실질적인 진척이 이뤄지고 있다. 전문가들은 칼슘이온 배터리가 리튬 자원을 둘러싼 지정학적 갈등을 해소하고 더욱 안전하고 오래가는 전자기기 시대를 열어줄 핵심 기술이 될 것으로 기대하고 있다.