국내 연구팀이 기존보다 에너지 저장 용량이 2.5배(1,150F/g) 높으면서도, 반영구적인 수명(50,000번 이상 충·방전 가능)을 가진 차세대 에너지 저장 소재를 개발했다. 이번 연구는 단순한 제조법으로 다공성의 속이 빈 구형 탄소계 물질을 새로 개발하고 이를 에너지 저장 소재로 사용한 사례로, 현재 이차전지의 저출력과 짧은 수명의 문제점을 획기적으로 개선하여 향후 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 전기 저장 장치를 개발할 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 하이브리드인터페이스기반미래소재연구단의 지원으로 한국과학기술원 강정구 교수팀이 수행했다.

에너지 저장 소재로 활용되기 위해서는 에너지 저장 용량이 커야 하며 긴 수명을 가져야 한다. 그러나 현재 이차전지는 양극 전극으로 사용되는 소재의 특성상 그 한계가 있다. 현재 이차전지의 양극 전극 소재는 탄소를 기반으로 하는 소재와 금속산화물을 기반으로 하는 소재가 있다. 탄소 기반 소재는 전해질의 이온을 이용하여 전자를 저장하기 때문에 빠른 충·방전 속도와 긴 수명을 가지지만 많은 에너지를 저장하지 못하는 단점이 있고, 반대로 물질의 화학반응을 이용하는 금속산화물 기반 소재는 많은 에너지를 저장할 수 있지만 충·방전 속도가 느리고 수명은 짧다. 따라서, 긴 수명과 고출력 특성, 그리고 높은 에너지 저장 용량을 동시에 갖도록 하기 위해서는 기존과 다른 새로운 소재 개발이 필요했다.

▲ 새로운 에너지 저장 하이브리드 소재의 개념도

이번 연구는 탄소계 물질과 금속산화물의 단점을 보완하고 두 물질의 장점을 높인 고용량·고출력·긴 수명의 에너지 저장 양극전극 소재 제작에 성공한 것이다. 연구진은 금속화합물이 첨가된 탄소계 원료 용액을 바늘을 통해 분사시키면서 동시에 열처리하는 방법(Nozzle Spray Pyrolysis)으로 외형은 수많은 구멍이 뚫려 있는 표면에 속은 비어 있는 구 모양의 탄소계 물질로 구성하고, 그 내부는 금속화합물로 채운 새로운 구조의 하이브리드 소재를 개발했다. 그리고 이를 에너지 저장 소재의 양극 전극으로 사용하여 탄소계 물질의 장점인 긴 수명과 금속계 물질의 장점인 높은 저장 용량을 동시에 구현했다.

연구진은 “이번 성과는 대량생산이 가능한 합성법을 사용하면서도 높은 에너지 저장용량, 고출력, 그리고 긴 수명을 동시에 달성하는 새로운 소재를 개발한 것으로 향후 고용량 에너지 저장 기술의 상용화에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의의를 밝혔다.