KAIST, 배터리용 음극과 축전기용 양극 결합해 저장 용량·충전 속도 높여
'제2의 반도체'로 불리는 리튬이온전지의 근본적 한계를 극복한 차세대 에너지 저장 장치가 개발됐다.
KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀은 우수한 성능의 급속 충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 리튬이온전지를 개발했다고 21일 밝혔다.
연구팀은 고분자 수지 배향의 변화를 통해 넓은 표면적의 다공성 탄소 중공 구조체를 합성했고, 이를 기반으로 하는 음극 및 양극 소재를 개발해 고성능 하이브리드 리튬이온전지를 구현했다.
리튬이온전지는 대표적인 에너지 저장 장치로 전자기기부터 전기차까지 전반적인 전자 산업에 필수적인 요소이기 때문에 '제2의 반도체'라고도 불린다. 그러나 느린 전기화학적 반응 속도, 전극 재료의 한정 등의 특성에 의한 낮은 출력 밀도, 긴 충전 시간, 음극 및 양극 비대칭성에 따른 큰 부피 등의 근본적인 한계로 인해 고성능 전극 재료 및 차세대 에너지 저장 소자의 개발이 필요하다는 지적이 있어 왔다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근 활발하게 연구 중인 하이브리드 전지는 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합해 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도의 장점을 모두 가지고 있기에 기존 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다.
고에너지 및 고출력 밀도의 하이브리드 전지를 구현하기 위해선 배터리용 음극의 전기 전도성 및 이온 확산 속도 개선, 축전기용 양극의 에너지 저장 용량 증가, 서로 다른 이온 저장 메커니즘에 따른 두 전극의 최적화 과정이 필요하다.
강 교수 연구팀은 고분자 수지의 배향 변화를 통해 넓은 표면적을 가진 다공성 탄소 구조체를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 제시했다. 이를 기반으로 음극 및 양극 소재를 개발해 고에너지·고출력의 하이브리드 리튬이온 에너지 저장 장치를 성공적으로 구현했다.
연구팀이 구현한 고성능 하이브리드 리튬이온전지는 기존에 상용화된 리튬이온배터리에 필적하는 에너지 밀도와 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 가지는 것으로 확인됐다. 수 초에서 수 분의 급속 충전으로도 활용이 가능해 전기차, 드론, 전자기기 등에 적용 가능할 것으로 예상된다.
강정구 교수는 "전극기준으로 높은 에너지 밀도(285 Wh/kg)를 가지며, 고출력 밀도(2만2600W/kg)에 의한 급속 충전이 가능한 하이브리드 리튬이온전지는 현 에너지 저장 시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것ˮ이라며 "전기차를 포함한 모든 전자기기의 활용 범위를 확대해 적용될 수 있을 것"이라고 설명했다.
헬로티 이동재 기자 |
