[굿모닝충청 김지현 기자] KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 급속 충전을 할 수 있는 ‘고에너지·고출력 하이브리드 리튬 이온 전지’를 개발했다.
KAIST는 강 교수 연구팀이 고분자 수지 배향의 변화를 통해 넓은 표면적의 다공성 탄소 중공 구조체를 합성하고, 이를 기반으로 하는 음극 및 양극 소재를 개발해 고성능 하이브리드 리튬 이온 전지를 구현했다고 21일 밝혔다.
대학에 따르면 리튬이온 배터리는 스마트 전자기기부터 전기 자동차까지 전반적인 전자 산업의 필수 요소로 자리 잡았으며, ‘제2의 반도체’라고도 불리는 대표적인 상용화 에너지 저장 장치다.
그러나 느린 전기화학적 반응 속도, 전극 재료의 한정 등의 특성에 의한 낮은 출력 밀도, 긴 충전 시간, 음극 및 양극 비대칭성에 따른 큰 부피 등 근본적인 한계로 인해 고성능 전극 재료 및 차세대 에너지 저장 소자의 개발이 필요한 상황이었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구되고 있는 ‘하이브리드 전지’는 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합해 높은 저장 용량과 빠른 충‧방전 속도 등의 장점을 가지며, 기존 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있다.
하지만 고에너지 및 고출력 밀도의 하이브리드 전지를 구현하기 위해선 배터리용 음극의 전기 전도성 및 이온 확산 속도 개선, 축전기용 양극의 에너지 저장 용량 증가, 서로 다른 이온 저장 메커니즘에 따른 두 전극의 최적화 과정이 필요하다.
이에 강 교수 연구팀은 고분자 수지의 배향 변화를 통해 넓은 표면적을 가진 다공성 탄소 구조체를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 제시했고, 이를 기반으로 음극 및 양극 소재를 개발해 고에너지·고출력의 하이브리드 리튬이온 에너지 저장 장치를 성공적으로 구현했다.
연구팀은 레졸시놀-폼알데하이드(Resorcinol-Formaldehyde) 수지 합성 과정에 멜라민(Melamine)을 첨가해 수지의 배향을 선형에서 꼬인 형태로 변화시켰다. 꼬인 형태의 수지가 탄화(carbonization)될 경우 더 많은 마이크로 기공이 형성됐으며, 기존 선형 구조의 수지로 생성된 탄소 구조체보다 12배 넓은 표면적을 가진 탄소 구조체가 생성됐다.
이 과정을 통해 생성된 탄소 구조체는 축전기용 양극 재료로 사용됐다. 연구팀은 넓은 표면적으로 많은 이온이 표면에 흡착될 뿐만 아니라, 중공 구조 및 메조 기공을 통해 이온이 빠르게 확산할 수 있어 높은 용량과 속도 특성을 보이는 것을 확인했다.
연구팀은 또 꼬인 형태의 수지 구조체 내에 높은 에너지 저장 용량을 가진 저마늄(Ge) 전구체를 삽입하는 합성방식을 통해, 분자 수준 크기의 저마늄 입자가 삽입된 탄소 중공 구조체를 합성하고 이를 배터리용 음극 재료로 사용했다.
다공성 탄소 구조체 내 삽입된 분자 수준 크기의 저마늄 입자의 경우, 충·방전시 큰 부피 팽창으로 인한 성능 저하 현상을 억제할 뿐만 아니라 내부까지 빠르게 리튬 이온이 확산할 수 있어 높은 수명 특성 및 속도 특성을 가지는 것도 확인할 수 있었다.
아울러 연구팀은 개발된 음극과 양극을 완전셀로 구성해 고성능 하이브리드 리튬 이온 전지를 구현했으며, 기존 상용화된 리튬이온 배터리에 필적하는 에너지 밀도와 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 가지는 것을 확인했다.
특히 수 초에서 수 분의 급속 충전으로 활용할 수 있어 전기 자동차, 드론, 스마트 전자기기 등에 적용이 가능할 것으로 예상된다는 게 연구팀의 설명이다.
KAIST 신소재공학과 김기환 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노 분야의 국제 저명학술지 `ACS 나노'에 이달 4일자로 게재됐다. (논문명 : Coiled Conformation Hollow Carbon Nanosphere Cathode and Anode for High-Energy Density and Ultrafast Chargeable Hybrid Energy Storage)
강 교수는 "전극기준으로 높은 에너지 밀도 (285 Wh/kg)를 가지며, 고출력 밀도(22,600W/kg)에 의한 급속 충전이 가능한 하이브리드 리튬 이온 전지는, 현 에너지 저장 시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것ˮ이라며 "전기 자동차를 포함한 모든 전자기기의 활용 범위를 확대해 적용될 수 있을 것이다ˮ라고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단의 지원을 받아 수행됐다.
