KAIST, 물에서 작동하는 급속충전 가능한 전지 개발
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KAIST, 물에서 작동하는 급속충전 가능한 전지 개발
  • 대학지성 In & Out 기자
  • 승인 2021.02.25 13:31
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- 강정구 교수 연구팀, 물에서 작동하는 금속 황화물 기반 고용량 전극 재료 개발
- 전기차 등 저가 소재 기반, 급속충전이 필요한 에너지 저장 장치에 활용 기대
KAIST 신소재공학과 강정구 교수, 박민규 박사과정

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 물에서 작동하는 우수한 성능의 급속충전이 가능한 하이브리드 전지를 개발했다고 25일 밝혔다.

현재 지구의 여러 환경 문제에 대한 대응방법으로 화석 연료의 소비를 줄이고 생산된 에너지를 효율적으로 이용하기 위해 에너지 저장 시스템(ESS)을 개발하는 것이 크게 주목 받고 있으며, 에너지 저장 시스템의 원천 기술 개발 확보가 앞으로의 산업 경쟁력이 큰 동력원이 될 수 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 

현재 리튬이온전지가 에너지 저장 장치 시장을 주도하고 있지만, 리튬기반의 유기 전해질의 사용으로 인한 과열 및 화재의 안정성 문제와 긴 충전 및 방전시간, 짧은 수명 등의 문제점을 가지고 있다. 아울러, 희토류 원소로서 가격이 높고 광물의 매장량 역시 지리적으로 편중되어있어. 우리나라로서는 전량 수입에 의존하고 있는 한계점이 존재한다. 

이러한 문제점을 개선하기 위해 물에서 작동하여 친환경적이며 경제성이 좋은 수계 에너지 저장 시스템에 대한 연구가 많이 진행되었고 빠른 충-방전 성능 덕분에 주목을 받았지만 용량 성능이 비교적 낮아 시장에서 요구하는 수준에 미치지 못하여 널리 활용되지 못하고 있었다. 이를 극복하기 위해서는 고출력을 유지하며 고용량을 가지는 전극 물질 개발이 필요하며, 양극과 음극에 작동 전압범위가 다른 두 가지의 전극을 결합하여 높은 용량을 유지하면서 고출력의 특성까지 나타낼 수 있는 하이브리드 저장 장치가 주목받고 있다. 

연구팀은 현재 전극 물질로 가장 많이 사용되고 있는 금속 산화물보다 전도성이 좋은 *다가의 금속 황화물을 양쪽의 전극 물질로 활용했다. 그리고 표면적이 높은 메조 다공성의 전극 구조를 기반으로 높은 에너지 밀도와 고출력을 갖는 하이브리드 수계 이온 에너지 저장 소재를 구현했다. (*전자를 잃고 (+)전기를 띄고 있는 상태를 말한다. 예를 들어 는 2가 이온으로 전자를 2개, 는 3가 이온으로 전자를 3개 잃어버린 상태다.)

이 기술은 현재 주로 사용되는 리튬 이온 배터리 및 다른 수계 배터리보다 안전성 및 경제성 등에서 우수성을 가져 급속충전이 필요한 휴대용 전자기기 및 안전이 중요시되는 상황에서 배터리 사용 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 

강정구 교수 연구팀의 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 `어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 25.245)' 2월 9일 字에 게재됐다. (논문명: Mesoporous thorn-covered core-shell cathode and 3D reduced graphene oxide aerogel composite anode with conductive multivalence metal sulfides for high-performance aqueous hybrid capacitors)

현재 리튬 이온 배터리는 대표적인 에너지 저장 시스템으로 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다. 그러나 배터리 발화와 전해액 누출 같은 안정성 문제 및 리튬 광물의 높은 가격, 이온의 느린 삽입/탈리과정에 의한 낮은 출력 특성과 짧은 수명 등의 문제가 있어 많은 개선이 필요하다.

반면 물에서 작동하는 금속 산화물 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 상대적으로 매우 저렴하고 전해질 이온이 전극 물질의 표면에서만 반응해 빠른 충전-방전이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 리튬 이온을 대체하면서 기존의 문제점을 극복할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 주목받고 있다.

하지만 기존의 전기 전도성이 낮은 금속 산화물은 충전/방전 속도 면에서 성능이 떨어졌고 질량 당 표면적이 낮아 많은 양의 이온이 반응하지 못하면서 고용량을 구현하기에 어려움이 있었다.

이에 강정구 교수 연구팀은 전도성이 금속 산화물보다 100배 정도 높은 다가의 금속 황화물을 수계 에너지 저장 시스템의 각각 양극과 음극의 전극 물질로 활용해 고용량과 고출력의 성능을 달성했다. 양극 물질로 쓰인 니켈 코발트 황화물과 음극 물질로 쓰인 철 황화물은 모두 두 개의 산화수 상태로 존재해 작동 전압 범위 내에서 더 풍부한 레독스 반응을 일으켜 고용량을 달성할 수 있는 물질로 알려져 있다.

양극 물질은 표면이 가시로 둘러싸인 메조 다공성 코어-쉘 구조로 표면이 30nm(나노미터) 크기의 니켈 코발트 황화물 나노입자들로 이루어져 있어서 표면적이 높고 이온 확산 통로가 풍부하게 존재해 수계 이온 기반 에너지 저장 시스템에서 고용량과 고출력의 에너지 저장성능을 달성했다.

또한 음극 물질은 환원된 산화 그래핀이 쌓이지 않고 무질서하게 엉킨 3D 환원된 산화 그래핀 에어로젤 구조를 뼈대로 삼고 30nm(나노미터) 크기의다가의 철 황화물 나노입자들이 무수히 올려져 있는 구조로서 역시 풍부한 나노입자에 의해 활성 표면적이 높고 3D 그래핀 구조가 가지고 있는 이온 확산 통로 덕분에 높은 출력의 에너지 저장이 가능하다.

이러한 풍부한 메조 다공성의 이온 확산 통로가 있는 구조는 전해질 이온이 빠른 속도로 전극 깊숙이 빠른 침투가 가능해 고출력의 충전-방전 속도를 나타낼 수 있어 고출력 에너지 요구에 응할 수 있다. 또한 모든 활성물질이 나노입자로 이루어져서 기존의 표면적이 낮은 금속 산화물 전극의 낮은 용량의 문제를 해결했다.

이 수계 하이브리드 저장 소자는 기존의 수계 배터리에 비해 같은 수준의 저장용량을 유지하면서 100배 이상의 높은 에너지 저장용량을 보이며 기존의 리튬이온 배터리보다 높은 빠른 출력 밀도를 보인다. 또한 고용량으로 수십 초 내 급속충전이 가능해 안전성이 요구되는 여러 에너지 저장 시스템에 활용 가능할 것으로 기대된다.

강 교수는 "친환경적인 이 기술은 물에서 작동해 전해액 누출 및 화재의 위험성이 없어 안전성이 뛰어나고 리튬을 이용하지 않아 저비용으로 제작할 수 있고 활용성이 뛰어나다ˮ라고 소개하면서 "표면에서의 빠른 화학반응을 이용한 고 표면적의 전극 물질을 이용해 기존보다 높은 전력 밀도와 에너지 밀도를 갖는 시스템 구현이 가능하므로 수계 에너지 저장 장치의 상용화에 이바지할 것이다ˮ고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단과 수소에너지 혁신기술사업의 지원을 받아 수행됐다.

그림 1. 표면이 가시로 덮혀있고 코어-쉘 구조인 금속황화물 나노입자 양극과 3D 그래핀 위에 금속황화물이 올려진 음극의 합성 원리 및 수계 하이브리드 에너지 저장 장치의 구성 및 저장 메커니즘을 나타낸 모식도.
그림 2. 양극과 음극의 실제 이미지 및 실제 구동 이미지 

 


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