초고속 충전 하이브리드 리튬이온 전지
다공성 구조의 전도성 탄소 구조체 기반
고용량 음극재 및 양극재 개발로 구현돼


리튬이온 배터리는 넓은 구동 전압과 높은 에너지 밀도로 현존하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 중 가장 높은 점유율을 보유하고 있다.

반면 △유계 전해질의 낮은 이온 전도도 △느린 전기화학적 반응 속도 △한정된 전극재의 특성에 의한 낮은 출력 밀도 △긴 충전 시간, △음극과 양극의 비대칭에 따른 큰 부피 등의 문제점 때문에 최근 고성능 전극재 및 차세대 에너지 저장 소자 연구가 진행되고 있다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 강정구 교수 연구팀은 3일, 수 초에서 수 분만에 급속충전이 가능한 하이브리드 리튬이온 전지를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 2~50nm(나노미터) 크기의 구멍인 메조 기공(Mesopore)과 2nm 이하 크기의 구멍인 마이크로 기공(Micropore)이 동시에 존재하는 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체 기반의 고용량 음극재와 양극재를 개발해 해당 전지를 구현했다.

하이브리드 전지는 배터리용 음극의 높은 저장 용량과 축전기용 양극의 빠른 이온 충방전의 장점을 모두 지니고 있어 차량용 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 많은 주목을 받고 있다.

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.

강 교수 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.

연구팀은 우선 배터리용 음극 재료로 다공성 나노결정인 금속유기 골격체(Metal-Oraganic Frameworks; MOFs)를 탄화시켜 5~10nm 크기의 몰리브덴 산화물(MoO2)이 결합한 탄소 구조체를 만들었다. 탄화 과정에서 탄소 구조체를 감싸는 산화 그래핀은 환원되면서 전도성 탄소 결합 형성으로 전기 전도도를 높였다.

또한, 금속 식각으로 마이크로 기공이 형성된 다공성 구조를 제작했다. 마이크로 기공은 전해질 속 리튬이온(Li+)의 침투를 쉽게 하며, 나노 크기의 금속 산화물과 환원된 산화 그래핀 껍질은 전기 전도도 향상을 통해 높은 용량과 고율 방전 특성을 보인다.

연구팀은 이와 함께 축전기용 양극 재료로 섬유형 전도성 고분자를 환원된 산화 그래핀 면에 가교화 시켜 새로운 구조를 만드는 제작기술을 적용했다. 전도성 고분자인 폴리아닐린(Polyaniline; PANI)은 저온에서 순간적으로 중합돼 환원된 산화 그래핀 면에서 강한 결합력(π-π 결합)을 가지며, 질소 도핑 효과에 의해 음이온(PF6-)의 흡착을 가능케 한다.

전도성 폴리아닐린 고분자가 결합된 환원된 산화 그래핀 양극은 환원된 산화 그래핀 대비 200% 증가한 이온 저장 용량과 함께 상용화된 활성탄(Activated Carbon; AC)에 준하는 에너지 저장 특성을 보였다. 연구팀은 이러한 과정을 거쳐 새로 개발한 음극재(MoO2@rGO)와 양극재(PANI@rGO)를 활용해 고성능 하이브리드 전지를 개발했다.

강정구 교수는 “이번에 개발한 하이브리드 전지는 리튬이온 배터리 수준의 에너지 밀도는 물론 고출력 밀도에 의한 수십 초 내 급속충전이 가능한 차세대 리튬이온 전지”라며, “활용 범위를 EV를 포함해 모든 전자기기로 확대한다면 인류의 삶의 질이 높아질 것이다”라고 기대했다.

한편, 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼(Advanced Energy Materials, IF 25.245)’ 11월 10일 자에 표지논문으로 실렸다.