급속 충전에 활용 가능한 차세대 에너지 저장 장치
기존 리튬이온 배터리와 비슷한 에너지 밀도 갖춰
전기 자동차, 드론, 스마트 기기 등에 적용 가능성
급속 충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 리튬 이온 전지가 나왔다. 수 초에서 수 분 사이의 충전이 가능해 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다. 해당 전지는 기존 리튬이온 배터리와 비슷한 에너지 밀도와 출력 밀도 특성을 모두 갖춘 상태에서 효율성이 높다. 향후 전기 자동차, 드론, 스마트 전자기기 등에 적용 가능할 전망이다.
카이스트(총장 이광형)는 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 이런 고에너지·고출력 하이브리드 리튬 이온 전지를 개발했다고 21일 밝혔다. 연구팀은 고분자 수지 배향 변화를 통해 넓은 면적의 다공성 탄소 중공 구조체를 합성했다. 이를 기반으로 하는 음극·양극 소재를 개발해 고성능 하이브리드 리튬 이온 전지를 구현한 셈이다.
최근 리튬이온 배터리는 대표적인 상용화 에너지 저장 장치로 스마트 전자기기부터 전기 자동차까지 전반적인 전자 산업에 필수적인 요소로 ‘제2의 반도체'로 불린다. 그러나 느린 전기화학적 반응 속도, 전극 재료 한정에 의한 낮은 출력 밀도, 긴 충전 시간, 음극·양극 비대칭성에 따른 큰 부피 등 근본적인 한계로 고성능 전극 재료·차세대 에너지 저장 소자 개발이 필요했다.
해당 문제 해결을 위해 최근 하이브리드 전지가 활발하게 연구되고 있다. 특히 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합해 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도 모두 장점으로 갖고 있다. 기존 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다.
그러나 고에너지·고출력 밀도 하이브리드 전지를 구현하기 위해 배터리용 음극의 전지 전도성 및 이온 확산 속도 개선, 축전기용 양극의 에너지 저장 용량 증가, 서로 다른 이온 저장 메커니즘에 따른 두 전극의 최적화 과정이 필요하다.
강 교수 연구팀은 고분자 수지의 배향 변화를 통해 넓은 표면적을 가진 다공성 탄소 구조체를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 제시했다. 이를 기반으로 음극·양극 소개를 개발해 고에너지·고출력 하이브리드 리튬이온 에너지 저장 장치를 구현했다.
연구팀은 레졸시놀-폼알데하이드(Resorcinol-Formaldehyde) 수지 합성 과정에 멜라민(Melamine)을 첨가해 수지 배향을 선형에서 꼬인 형태로 바꿨다. 꼬인 형태인 수지가 탄화(carbonization) 될 경우 더 많은 마이크로기공이 형성됐다. 기존 선형 구조인 수지로 생긴 탄소 구조체보다 12배 넓은 표면적을 가진 탄소 구조체가 생성됐다.
이를 통해 생성된 탄소 구조체는 축전기용 양극 재료로 사용된다. 넓은 표면적으로 많은 이온이 표면에 흡착될 뿐만 아니라 중공 구조·메조 기공을 통해 이온이 빠르게 확산할 수 있어 높은 용량과 속도 특성을 보이는 것이 드러났다.
연구팀은 꼬인 형태의 수조체 내에 높은 에너지 용량을 가진 저마늄(Ge) 전구체를 삽입하는 합성방식으로 분자 수준 크기인 저마늄 입자가 삽입된 탄소 중공 구조체를 합성해 배터리용 음극 재료로 사용했다. 다공성 탄소 구조체 내 삽입된 분자 수준 크기의 저마늄 입자는 충·방전시 큰 부피 팽창으로 인한 성능 저하 현상을 억제할 뿐만 아니라 내부까지 빠르게 리튬 이온이 확산할 수 있어 수명이 긴 결과를 도출했다.
강 교수 연구팀은 음극·양극을 완전셀로 구성해 고성능 하이브리드 리튬이온 전지를 구현했다. 하이브리드 리튬 이온 전지는 기존 상용화된 리튬이온 배터리에 버금가는 에너지 밀도와 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 갖는 것을 확인했다. 차세대 에너지 저장 장치로 수 초에서 수 분의 급속 충전으로도 활용 가능해 전기 자동차, 드론, 스마트 전자기기 등에 적용 가능할 전망이다.
강 교수는 “전극 기준으로 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 시스템 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것이다"고 강조했다.
그는 “전기 자동차를 포함한 모든 전자기기 활용 범위를 확대해 적용할 수 있겠다"고 내다봤다.
카이스트 신소재공학과 김기환 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구 성과는 나노 분야의 국제 저명학술지 ‘ACS 나노'에 이달 4일 개제됐다. 논문명은 ‘Coiled Conformation Hollow Carbon Nanosphere Cathode and Anode for High-Energy Density and Ultrafast Chargeable Hybrid Energy Storage’다.
이번 논문은 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업인 하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단 지원을 받아 수행됐다.
AI타임스 김미정 기자 kimj7521@aitimes.com
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"눈 깜짝할 새 충전되네" 카이스트, 고에너지·고출력 하이브리드 리튬 이온 전지 개발 - AI타임스
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