KAIST, 급속충전 가능한 하이브리드 리튬이온 전지 개발

강정구 교수팀, 전도성 탄소 구조체 기반 고용량 전극재료 개발

태양전지 모듈로 수십 초 내 급속충전 가능

[대전=뉴시스] 메소 기공(mesopore)과 마이크로 기공(micropore)이 동시에 존재하는 고용량 음극과 양극 재료의 합성 과정 및 하이브리드 전지 저장 메커니즘 모식도.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 고에너지·고출력 하이브리드 리튬이온 전지를 개발했다고 3일 밝혔다.

강 박사팀은 2~50㎚(나노미터) 크기의 구멍인 메조기공(mesopore)과 2㎚(나노미터) 이하 크기의 구멍인 마이크로 기공(micropore)이 동시에 존재하는 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체에 기반한 고용량 음극재와 양극재 개발을 통해 고성능 하이브리드 리튬이온 전지를 구현했다.

이 하이브리드 리튬이온 전지는 상용화된 리튬이온 배터리와 견줄만한 에너지 밀도와 슈퍼 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 갖춘 차세대 에너지 저장소자다.
 
수 초에서 수 분 내 급속충전이 가능해서 전기차를 비롯해 전기트램과 스마트 전자기기 등에 활용이 기대된다.

이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼(Advanced Energy Materials, IF 25.245)'에 지난달 10일자로 실렸으며, 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다. 논문 제목은 Metal-Organic Framework-Derived Anode and Polyaniline Chain Networked Cathode with Mesoporous and Conductive Pathways for High Energy Density, Ultrafast Rechargeable, and Long-Life Hybrid Capacitors.

리튬이온 배터리는 현재 대표적인 상업용 에너지저장시스템(ESS)으로 전자산업에 필수적인 요소로 자리 잡고 있어 '제2의 반도체'로 불린다.

하이브리드 전지는 배터리용 음극의 높은 저장 용량과 축전기용 양극의 빠른 이온 충·방전의 장점을 지니고 있어 차량용 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 주목받고 있다.

 하지만 고에너지 및 고출력 밀도의 전지를 구현키 위해 배터리용 음극의 전기 전도도와 이온 저장 특성 개선, 축전기용 양극의 이온 저장 용량 증가, 서로 다른 이온 저장 메커니즘에 따른 두 전극의 최적화 과정 등이 필요하다.

강 교수팀은 다공성 구조의 환원된 산화그래핀을 활용한 전도성 탄소 기반의 음극 및 양극 소재를 개발하는 한편 속도 특성이 개선된 고용량 음극과 양극을 통해 고에너지·고출력의 하이브리드 리튬이온 에너지 저장장치를 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 먼저 배터리용 음극재료로 다공성 나노결정인 금속-유기 골격체(MOFs)의 탄화과정을 통해 5~10㎚ 크기의 몰리브덴 금속 산화물(MoO2)이 결합된 탄소 구조체를 만들었다.

탄화 과정에서 탄소 구조체를 감싸는 산화그래핀은 환원되면서 전도성 탄소결합 형성으로 전기 전도도를 향상시키며 선택적 금속식각으로 마이크로 기공이 형성된 다공성 구조를 초래한다.

이런 마이크로 기공은 전해질 속 리튬이온(Li+)의 침투를 쉽게 하고 나노크기의 금속 산화물과 환원된 산화그래핀 껍질은 전기 전도도 향상을 통해 높은 용량과 고율 방전 특성을 보인다.

연구팀은 이와 함께 축전기용 양극재료로 섬유형 전도성 고분자를 환원된 산화그래핀 면을 가교화시켰다.

이런 과정을 거쳐 새로 개발한 음극재(MoO2@rGO)와 양극재(PANI@rGO)를 활용해 고성능 하이브리드 전지를 개발하는데 성공했다.

강 교수는 "이 하이브리드 전지는 기존 리튬이온 배터리 수준의 고에너지 밀도와 함께 넓은 구동전압 범위에서 고출력 특성을 보인다"며 "태양전지 모듈로 수십 초 내 급속충전이 가능, 기존 에너지저장시스템의 한계를 개선했다"고 말했다.

그는 또 "리튬이온 배터리 수준의 에너지 밀도는 물론 고출력 밀도에 의한 급속충전이 가능한 최첨단 리튬이온 전지"이리면서 "활용 범위를 전기차를 포함해 모든 전자기기로 확대한다면 인류 삶의 질을 높일 것으로 기대한다"고 의미를 부여했다.


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