국내 연구팀이 기존보다 에너지 저장 용량을 2.5배 높이면서도 반영구적 수명을 가진 차세대 에너지 저장 소재를 개발했다. 현재 이차전지의 저출력과 짧은 수명을 개선할 신기술로 주목된다.
강정구 한국과학기술원(KAIST) 교수팀은 다공성의 속이 빈 구형 탄소계 물질을 개발하고 이를 저장 소재로 활용하는 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.
에너지 저장 소재로 활용하기 위해서는 에너지 저장 용량이 커야하며 긴 수명을 가져야 한다. 그러나 현재 이차전지는 양극 전극으로 사용되는 소재 특성상 한계가 있다.
현재 이차전지의 양극 전극 소재는 탄소를 기반으로 하는 소재와 금속산화물을 기반으로 하는 소재가 있다. 탄소 기반 소재는 전해질 이온을 이용해 전자를 저장하기 때문에 빠른 충·방전 속도와 긴 수명을 가지지만 많은 에너지를 저장하지 못한다. 반대로 물질 화학반응을 이용하는 금속산화물 기반 소재는 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 충·방전 속도가 느리고 수명이 짧다.
긴 수명과 고출력, 높은 에너지 저장 용량을 동시에 갖기 위해서는 기존과 다른 새로운 소재 개발이 필요했다.
연구팀은 탄소계 물질과 금속산화물의 단점을 보완하고 두 물질의 장점을 높인 고용량·고출력·긴 수명의 에너지 저장 양극전극 소재 제작에 성공했다.
연구팀은 금속화합물이 첨가된 탄소계 원료 용액을 바늘을 통해 분사시키면서 동시에 열처리하는 방법으로 수많은 구멍이 뚫린 표면에 속은 빈 구 모양의 탄소계 물질을 만들었다. 내부는 금속화합물로 채운 새로운 구조의 하이브리드 소재다. 그리고 이를 에너지 저장 소재의 양극 전극으로 사용해 탄소계 물질의 장점인 긴 수명과 금속계 물질의 장점인 높은 저장 용량을 동시에 구현했다.
연구진은 “대량생산이 가능한 합성법을 사용하면서도 높은 에너지 저장용량, 고출력, 긴 수명을 동시에 달성하는 새로운 소재를 개발했다”며 “대량소재 생산기술 확보와 이를 통한 시스템 제조를 통해 2년 정도면 실용화 가능하며, 향후 고용량 에너지 저장기술 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연구결과는 에너지과학 분야 국제학술지 ‘에너지&환경과학(Energy&Environmental Science)’ 지난달 8일자 온라인에 게재됐고 표지논문으로 선정됐다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
