수십 초내 급속 충전···하이브리드 리튬이온 전지 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 전기차, 전기 트램, 스마트 전자기기에 접목해 수초에서 수분 내 급속 충전이 가능한 기술을 선보였다.

한국과학기술원(KAIST)은 강정구 신소재공학과 교수 연구팀이 고에너지·고출력 하이브리드 리튬이온 전지를 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 메조기공(2~50나노미터 크기의 구멍)과 마이크로 기공(2나노미터 이하 크기의 구멍)이 함께 있는 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체 기반의 고용량 음·양극재 개발을 통해 고성능 하이브리드 리튬이온 전지를 만들었다.

기존 에너지 저장 소자를 상위하는 고에너지·고출력 밀도를 보여주는 라곤 플롯과 태양전지 모듈을 활용한 급속 충전된 소자 특성 구현 모습.(사진=한국과학기술원)

하이브리드 전지는 배터리용 음극의 높은 저장 용량과 축전기용 양극의 빠른 이온 충·방전이 가능하다. 차량용 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 에너지 저장 소자로도 주목 받고 있다. 하지만 고에너지·고출력 밀도의 전지를 구현하려면 배터리용 음극의 전기 전도도와 이온 저장 특성 개선, 축전기용 양극의 이온 저장 용량 증가, 서로 다른 이온 저장 메커니즘에 따른 두 전극의 최적화 과정이 필요하다.

연구팀은 다공성 구조의 환원된 산화 그래핀을 활용한 전도성 탄소 기반의 음·양극 소재를 개발하고, 속도 특성이 개선된 고용량 음·양극을 통해 고에너지·고출력의 하이브리드 리튬이온 에너지 저장 장치를 만들었다.

연구팀은 축전기용 양극 재료로 섬유형 전도성 고분자를 환원된 산화 그래핀 면에 가교화시켜 새로운 구조를 만드는 제작기술을 적용했다. 전도성 고분자인 폴리아닐린은 저온에서 순간적으로 중합돼 환원된 산화 그래핀 면에서 강한 결합력을 갖고, 질소 도핑 효과로 음이온 흡착을 가능케 한다.

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

연구팀은 이러한 과정을 거쳐 새로 개발한 음·양극재를 활용해 고성능 하이브리드 전지를 개발했다.

강정구 교수는 “리튬이온 배터리 수준의 에너지 밀도는 물론 고출력 밀도에 의한 급속충전이 가능한 최첨단 리튬이온 전지”라며 “전기차를 포함해 모든 전자기기로까지 확대하면 인류 삶의 질을 높일 것”이라고 기대했다.

연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 지난 달 10일자로 게재됐다.