전도성 탄소 구조체 기반의 고용량 음극과 양극 재료의 합성 과정.(출처=카이스트)

[e경제뉴스 이춘영 기자] 수초에서 수분 사이 급속 충전이 가능한 새로운 개념의 하이브리드 리튬이온전지가 국내기술로 개발됐다. 전기차 등의 충전에 활용될 것으로 기대된다.

리튬이온 배터리는 현재 대표적인 상업용 에너지 저장 시스템( ESS)이다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차(Electric Vehicles, EVs)부터 각종 스마트 전자기기에 이르기까지 전자 산업에 필수적인 요소로 자리 잡고 있어 `제2의 반도체'로 불린다.

지난해 노벨 화학상 수상으로 실효성이 증명됐으며, 넓은 구동 전압과 높은 에너지 밀도로 현존하는 에너지 저장 시스템 중 가장 높은 점유율을 보유하고 있다고 연구팀은 설명했다.

강정구 교수

카이스트(KAIST) 신소재공학과 강정구 교수팀은 높은 출력 밀도를 갖춘 축전지의 장점을 공유해 고에너지·고출력을 실현할 수 있는 하이브리드 리튬이온 전지를 개발했다고 3일 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼(Advanced Energy Materials, IF 25.245)’ 최신호의 표지 논문으로 게재됐다.

이번에 개발한 기술의 핵심은 전지의 음극재와 양극재에 탄소 기반의 신물질인 그래핀을 결합하는 방법으로 나노미터(㎚) 단위의 미세한 구멍을 뚫은 것이다. 이렇게 뚫린 구멍은 전해질 속에서 리튬이온의 침투를 쉽게 해 높은 용량과 고효율의 방전 성능을 보일 수 있게 했다.

연구팀은 우선 연구팀은 우선 배터리용 음극 재료로 다공성 나노결정인 금속-유기 골격체(Metal-Oraganic Frameworks, MOFs)의 탄화 과정을 통해 5~10 나노미터 크기의 몰리브덴 금속 산화물 (MoO2)이 결합된 탄소 구조체를 만들었다.

탄화 과정에서 탄소 구조체를 감싸는 산화 그래핀은 환원되면서 전도성 탄소 결합 형성으로 전기 전도도를 향상시키며, 선택적 금속 식각으로 마이크로 기공이 형성된 다공성 구조를 제작했다.

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.

이러한 과정을 거쳐 새로 개발한 음극재(MoO2@rGO)와 양극재(PANI@rGO)를 활용해 고성능 하이브리드 전지를 개발했다.

연구팀은 이번 기술을 통해 향후 수초에서 수분 사이에 완충이 되는 새로운 리튬이온전지를 선보일 수 있을 것으로 예상했다.

태양전지 모듈을 이용하면 수십 초 내 급속충전이 가능해서 기존에 나와 있는 에너지 저장 시스템의 한계를 개선했다는 평가를 받는다.

현재 전기차는 짧아도 수십분, 길게는 수시간이 걸려야 완충이 가능하다.

휴대전화와 같은 스마트 기기를 사용할 때에도 충전 시간 문제는 사용에 불편을 준다.

연구팀은 “전기차를 포함해 모든 전자기기까지 활용 범위를 확대한다면 인류 삶의 질을 높일 것으로 기대한다”고 말했다.

이춘영 기자  economynews@daum.net

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