리튬이온 배터리가 가진 근본 한계를 극복하는 연구성과가 국내에서 나왔다. 대용량, 고속 충전을 이룬 차세대 에너지 저장장치가 개발됐다. 전기 자동차, 드론, 스마트 전자기기 등에 적용 가능할 것으로 예상된다.
한국과학기술원(KAIST)은 급속 충전할 수 있는 고에너지·고출력 하이브리드 리튬 이온 전지를 개발했다고 21일 밝혔다. 강정구 신소재공학과 교수팀 성과다.
하이브리드 전지는 배터리 음극, 축전기용 양극을 결합해 대용량, 빠른 충·방전 속도 장점을 지닌다. 기존 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받는다. 하지만 배터리 음극 전기 전도성과 이온 확산 속도 개선, 축전기용 양극 에너지 저장 용량 증가, 서로 다른 이온 저장 메커니즘에 따른 두 전극의 최적화 과정이 필요하다.
연구팀은 표면적이 넓은 다공성 탄소 중공 구조체로 음극·양극 소재를 개발, 고성능 하이브리드 리튬 이온 전지를 구현했다. 선형이던 고분자 수지 배열 방향을 꼬인 형태로 바꾸는 방법을 썼다. 꼬인 수지는 탄화 시 더 많은 마이크로 기공을 형성한다. 기존 선형 구조 수지로 만든 탄소 구조체보다 표면적도 12배 넓다. 많은 이온이 표면에 흡착되고 확산한다.
연구팀은 또 꼬인 형태 수지 구조체에 에너지 저장 용량이 큰 저마늄(Ge) 전구체를 삽입해 썼다. 이는 충·방전 시 부피 팽창에 따른 성능 저하를 억제하고 내부까지 빠르게 리튬 이온을 확산시킨다.
개발 음극과 양극을 활용한 고성능 하이브리드 리튬 이온 전지는 기존 리튬이온 배터리에 필적하는 에너지 밀도와 축전기 출력 밀도 특성을 모두 가진다. 수 초~수 분 급속 충전으로도 활용할 수 있다.
강 교수는 “높은 에너지 밀도를 가지며 급속 충전이 가능한 하이브리드 리튬 이온 전지는 현 에너지 저장 시스템 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구”라며 “전기 자동차 등 모든 전자기기에 적용될 것”이라고 말했다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
