수십초만에 전기車 급속충전 끝!…KAIST ‘하이브리드 리튬이온전지’ 개발

- 강정구 교수 연구팀, - 다공성 구조 고용량 전극재료 구현

[ 123rf ]

[헤럴드경제=구본혁 기자] KAIST (총장 신성철)는 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능의 고에너지·고출력 하이브리드 리튬이온 전지를 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 메조기공( 2~50nm (나노미터) 크기의 구멍)과 마이크로 기공( 2nm 이하 크기의 구멍)이 동시에 존재하는 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체 기반의 고용량 음극재와 양극재 개발을 통해 고성능 하이브리드 리튬이온 전지를 구현했다.

하이브리드 리튬이온 전지는 이미 상용화된 리튬이온 배터리와 견줄만한 에너지 밀도와 슈퍼 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 갖춘 차세대 에너지 저장 소자다. 수 초에서 수 분의 급속충전이 가능해서 전기차를 비롯해 전기 트램과 스마트 전자기기 등에 활용이 기대된다.

이번 연구결과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’ 11 월 10 일자 표지논문으로 게재됐다.

리튬이온 배터리는 현재 대표적인 상업용 에너지 저장 시스템( ESS )이다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차부터 각종 스마트 전자기기에 이르기까지 전자 산업에 필수적인 요소로 자리 잡고 있어 '제2의 반도체'로 불린다.

리튬이온 배터리는 넓은 구동 전압과 높은 에너지 밀도로 현존하는 에너지 저장 시스템 중 가장 높은 점유율을 보유하고 있다. 하지만 유계 전해질의 낮은 이온 전도도, 느린 전기화학적 반응 속도, 전극재의 한정성 등의 특성에 의한 낮은 출력 밀도, 긴 충전 시간, 음극 및 양극 비대칭에 따른 큰 부피 등 근본적인 문제점을 갖고 있다.

하이브리드 전지는 배터리용 음극의 높은 저장 용량과 축전기용 양극의 빠른 이온 충·방전의 장점을 모두 지니고 있어 차량용 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 많은 주목을 받고 있다. 하지만 고에너지 및 고출력 밀도의 전지를 구현하기 위해서 배터리용 음극의 전기 전도도와 이온 저장 특성 개선, 축전기용 양극의 이온 저장 용량 증가, 그리고 서로 다른 이온 저장 메커니즘에 따른 두 전극의 최적화 과정이 필요하다.

연구팀은 다공성 구조의 환원된 산화 그래핀을 활용한 전도성 탄소 기반의 음극 및 양극 소재를 개발하는 한편 속도 특성이 개선된 고용량 음극과 양극을 통해 고에너지·고출력의 하이브리드 리튬이온 에너지 저장 장치를 구현하는 데 성공했다.

전도성 탄소 구조체 기반의 고용량 음극과 양극 재료의 합성과정.[ KAIST 제공]

연구팀은 이와 함께 축전기용 양극 재료로 섬유형 전도성 고분자를 환원된 산화 그래핀 면에 가교화 시켜 새로운 구조를 만드는 제작기술을 적용했다. 전도성 고분자인 폴리아닐린은 저온에서 순간적으로 중합돼 환원된 산화 그래핀 면에서 강한 결합력을 가지며, 질소 도핑 효과에 의해 음이온의 흡착을 가능케 한다.

전도성 폴리아닐린 고분자-환원된 산화 그래핀 양극은 환원된 산화 그래핀 대비 200 % 증가한 이온 저장 용량과 함께 상용화된 활성탄에 준하는 에너지 저장 특성을 보였다.

강정구 교수는 "리튬이온 배터리 수준의 에너지 밀도는 물론 고출력 밀도에 의한 급속충전이 가능한 최첨단 리튬이온 전지라고 소개하면서 "활용 범위를 전기차를 포함해 모든 전자기기로까지 확대한다면 인류 삶의 질을 높일 것으로 기대한다고 의미를 부여했다.

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