한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 강정구 신소재공학과 교수팀이 고에너지·고출력 하이브리드 리튬이온 전지를 개발했다고 3일 밝혔다.
연구팀은 2~50나노미터(㎚) 크기 메조 기공과 2㎚ 이하 크기 마이크로 기공이 동시에 존재하는 다공성 구조 전도성 탄소 구조체 기반 대용량 음극재와 양극재를 개발했다.
개발 전지는 이미 상용화된 리튬이온 배터리와 견줄만한 에너지 밀도와 슈퍼 축전기 출력 밀도 특성을 모두 갖췄다. 수초~수분 급속충전이 가능하다.
하이브리드 전지는 배터리용 음극의 높은 저장 용량과 축전기용 양극의 빠른 이온 충·방전 장점을 모두 지녀 차세대 에너지 저장 소자로 주목을 받고 있다. 하지만 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 구조 산화 그래핀을 활용한 전도성 탄소 기반 음극 및 양극 소재를 개발하는 한편, 속도가 개선된 대용량 음극·양극을 통해 문제 해결에 성공했다.
연구팀은 음극 재료로 5~10㎚ 크기 몰리브덴 금속 산화물(MoO2)이 결합된 탄소 구조체를 만들었다. 전해질 속 리튬이온(Li+)의 침투를 쉽게 하는 마이크로 기공, 전기 전도도를 높이는 산화 그래핀 껍질을 갖췄다.
연구팀은 또 섬유형 전도성 고분자를 환원된 산화 그래핀 면에 가교화 시키는 새로운 구조 제작 기술도 썼다. 이것으로 축전기용 양극 재료를 만들었다. 전도성 고분자인 폴리아닐린(PANI)은 강한 결합력을 가지며, 음이온(PF6-) 흡착을 가능케 한다.
전도성 폴리아닐린 고분자-환원된 산화 그래핀 양극은 환원된 산화 그래핀 대비 이온 저장 용량이 200% 많다. 활성탄에 준하는 에너지 저장 특성도 보였다.
강정구 교수는 “리튬이온 배터리 수준의 에너지 밀도는 물론 고출력 밀도에 의한 급속충전이 가능한 최첨단 리튬이온 전지를 만들었다”며 “활용 범위를 전기차를 포함해 모든 전자기기로 확대한다면 인류 삶의 질을 높일 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
