KAIST, 고성능 하이브리드 리튬 이온 전지 개발..."고에너지·고출력으로 급속 충전 가능"
KAIST, 고성능 하이브리드 리튬 이온 전지 개발..."고에너지·고출력으로 급속 충전 가능"
  • 정지원 기자
  • 승인 2022.04.21 13:13
이 기사를 공유합니다

리튬 이온 배터리 한계 극복
'다공성 탄소 중공 구조체' 기반으로 고성능 전지 개발...급속 충전 가능
전기자동차·드론·스마트 기기 등 활용 확대될 것
KAIST가 우수한 성능으로 급속 충전이 가능한 '고에너지 고출력 하이브리드 리튬 이온 전지'를 개발했다.(사진=KAIST)
KAIST가 우수한 성능으로 급속 충전이 가능한 '고에너지 고출력 하이브리드 리튬 이온 전지'를 개발했다.(사진=KAIST)

(내외방송=정지원 기자) 기존 리튬 이온 배터리를 대체할 '차세대 에너지 저장 장치'가 개발됐다.

KAIST는 21일 "강정구 신소재공학과 교수 연구팀이 우수한 성능의 급속 충전이 가능한 '고에너지·고출력 하이브리드 리튬 이온 전지'를 개발했다"고 밝혔다.

연구팀은 고분자 수지 배향의 변화를 통해 넓은 표면적의 '다공성 탄소 중공 구조체'를 합성했다.

이를 기반으로 음극과 양극 소재를 개발해 '고성능 하이브리드 리튬 이온 전지'를 구현해냈다.

현재 산업 대부분에는 '리튬 이온 배터리'가 사용되고 있다.

스마트 전자기기부터 전기 자동차까지 전반적인 전자 산업에 필수적인 요소로 자리 잡고 있어 '제2의 반도체'로 불린다.

하지만 ▲느린 전기화학적 반응 속도 ▲전극 재료의 한정 ▲낮은 출력 밀도 ▲긴 충전 시간 ▲음극 및 양극 비대치성에 따른 큰 부피 등의 한계로 인해 고성능 전극 재료와 차세대 에너지 저장 장치의 개발이 필요했다.

하이브리드 리튬 이온 전지 모식도.(사진=KAIST)
하이브리드 리튬 이온 전지 모식도.(사진=KAIST)

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '하이브리드 전지'를 활용했다.

'배터리용 음극'과 '축전기용 양극'을 결합해 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도의 장점을 모두 가지고 있어 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있기 때문이다.

이러한 장점을 갖고 있는 하이브리드 전지를 구현하기 위해서는 ▲배터리용 음극의 전기 전도성과 이온 확산 속도 개선 ▲축전기용 양극의 에너지 저장 용량 증가 ▲서로 다은 이온 저장 메커니즘에 따른 두 전극의 최적화 과정이 필요하다.

이에 연구팀은 고분자 수지의 배향(미세 결정 등이 일정 방향으로 배열) 변화를 통해 넓은 표면적을 가진 '다공성 탄소 구조체'를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 제시했다.

이를 기반으로 음극과 양극 소재를 개발해 고에너지·고출력의 '하이브리드 리튬이온 에너지 저장 장치'를 개발한 것이다.

연구팀은 레졸시놀-폼알데하이드 수지 합성 과정에서 '멜라민'을 첨가해 수지의 배향을 선형에서 '꼬인 형태'로 변화시켰다.

꼬인 형태의 수지가 '탄화(열분해)'될 경우 더 많은 마이크로 기공이 형성됐으며 기존 선형 구조 수지로 생성된 탄소 구조체보다 '12배' 넓은 표면적을 가진 탄소 구조체가 생성됐다.

이를 통해 생성된 탄소 구조체는 '축전기용 양극 재료'로 사용됐으며 넓은 표면적으로 많은 이온이 표면에 흡착될 뿐만 아니라 '중공 구조(내부에 빈 공간 생김)'와 '메조 기공(중간 크기의 공기 구멍 생김)'을 통해 이온이 빠르게 확산할 수 있어 높은 용량과 속도를 보였다.

이외에도 연구팀은 꼬인 형태의 수지 구조체 내에 높은 에너지 저장 용량을 가진 '저마늄(Ge) 전구체'를 삽입하는 합성방식을 통해 분자 수준 크기의 저마늄 입자가 삽입된 '탄소 중공 구조체'를 합성해 이를 배터리용 음극 재료로 사용했다.

이 입자는 충·방전 시 부피 팽창으로 인한 성능 저하 현상을 억제할 뿐만 아니라 내부까지 빠르게 리튬 이온이 확산할 수 있어 높은 수명과 속도를 가진다.

연구팀은 이렇게 개발된 음극과 양극을 완전한 셀로 구성해 '고성능 하이브리드 리튬 이온 전지'를 구현했다.

이 전지는 기존에 상용화된 리튬 이온 배터리에 버금가는 에너지 밀도와 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 가지는 것으로 확인됐다.

또 차세대 에너지 저장장치로 수 초에서 수 분의 급속 충전으로도 활용이 가능해 ▲전기자동차 ▲드론 ▲스마트 전자기기 등에 적용이 가능해질 것으로 연구팀은 예상하고 있다.

강 교수는 "높은 에너지 밀도를 가지고 급속 충전이 가능한 하이브리드 리튬 이온 전지는 에너지 저장 시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것"이라며 "전기자동차를 포함한 모든 전자기기에 확대해 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단의 지원을 받아 수행됐다.

강정구 KAIST 신소재공학과 교수(왼쪽), 김기환 KAIST 신소재공학과 박사과정(오른쪽).(사진=KAIST)
강정구 KAIST 신소재공학과 교수(왼쪽), 김기환 KAIST 신소재공학과 박사과정(오른쪽).(사진=KAIST)

이 논문은 KAIST 김기환 신소재공학과 박사과정이 제1저자로 참여했고, 나노 분야의 국제 학술지 'ACS 나노'에 4월 4일 게재됐다.(논문명: Colied Conformation Hollow Carbon Nanosphere Cathode and Anode for High-Energy Density and Ultrafast Chargeable Hybrid Energy Storage)


관심기사

오늘의 이슈
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 법인 : (주)내외뉴스
  • 인터넷신문등록번호 : 서울, 아04690
  • 인터넷신문등록일자 : 2017년 09월 04일
  • 발행일자 : 2017년 09월 04일
  • 제호 : 내외방송
  • 내외뉴스 주간신문 등록 : 서울, 다 08044
  • 등록일 : 2008년 08월 12일
  • 발행·편집인 : 최수환
  • 서울특별시 종로구 대학로 13 (뉴스센터)
  • 대표전화 : 02-762-5114
  • 팩스 : 02-747-5344
  • 청소년보호책임자 : 최유진
  • 내외방송 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2024 내외방송. All rights reserved. mail to webmaster@nwtn.co.kr
인신위 ND소프트