[지금은 과학] 급속충전·안전성·용량 높인 수계기반 전지 나왔다

[아이뉴스24 정종오 기자] 급속충전을 하면서 안정성을 높인 수계 기반 전지가 개발됐다. 전기차 등 급속충전이 필요한 에너지저장장치(ESS)에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 낮았던 용량도 끌어올려 눈길을 끈다.

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

연구팀은 현재 전극 물질로 가장 많이 사용되고 있는 금속 산화물보다 전도성이 좋은 다가(전자를 잃고 +전기를 띄고 있는 상태)의 금속 황화물을 양쪽의 전극 물질로 활용했다. 표면적이 높은 메조 다공성의 전극 구조를 기반으로 높은 에너지 밀도와 고출력을 갖는 하이브리드 수계 이온 에너지 저장 소재를 구현했다.

이번 기술은 현재 주로 사용되는 리튬 이온 배터리와 다른 수계 배터리보다 안전성과 경제성 등에서 우수성을 가진다. 급속충전이 필요한 휴대용 전자기기, 안전이 중요한 상황에서 배터리 사용 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

현재 리튬 이온 배터리는 대표 ESS로 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다. 반면 배터리 발화와 전해액 누출 같은 안정성 위험을 비롯해 리튬 광물의 높은 가격, 낮은 출력 특성과 짧은 수명 등이 문제점으로 꼽힌다.

물에서 작동하는 금속 산화물 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 상대적으로 매우 저렴하다. 수계 에너지 저장 시스템은 이처럼 빠른 충방전으로 주목받았는데 문제는 용량이 낮아 시장에서 요구하는 수준에 미치지 못했다.

이번에 개발된 수계 에너지 저장장치 용량은 리튬-이온 커패시터 대비 2분의 1까지 달성했다. 10분의 1에 불과했던 기존 용량을 끌어올린 것이다. 용량 부분도 어느 정도 기술적으로 극복 가능하다는 것을 보여주고 있다.

수계 에너지 저장장치는 전해질 이온이 전극 물질의 표면에서만 반응해 빠른 충방전이 가능하다는 장점이 있다. 용량 부분도 점점 극복되고 있어 리튬 이온을 대체하면서 기존의 문제점을 극복할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 주목받고 있다.

기존의 전기 전도성이 낮은 금속 산화물은 충방전 속도 면에서 성능이 떨어졌다. 질량 당 표면적이 낮아 많은 양의 이온이 반응하지 못하면서 고용량을 구현하기에 어려움이 있었다.

강정구 교수 연구팀은 전도성이 금속 산화물보다 100배 정도 높은 다가의 금속 황화물을 수계 에너지 저장 시스템의 양극과 음극의 전극 물질로 활용했다. 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 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 이뤄져 있어 표면적이 높고 이온 확산 통로가 풍부하게 존재한다. 수계 이온 기반 에너지 저장 시스템에서 고용량과 고출력의 에너지 저장성능을 달성했다.

음극 물질은 환원된 산화 그래핀이 쌓이지 않고 무질서하게 엉킨 3D 환원된 산화 그래핀 에어로젤 구조를 뼈대로 삼고 30nm(나노미터) 크기의 다가의 철 황화물 나노입자들이 무수히 올려져 있는 구조이다. 이 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 침투가 가능해 고출력의 충방전 속도를 나타낼 수 있다. 고출력 에너지 요구에 응할 수 있는 것이다. 모든 활성 물질이 나노입자로 이뤄져 기존의 표면적이 낮은 금속 산화물 전극의 낮은 용량의 문제를 해결했다.

이번 수계 하이브리드 저장 소자는 기존의 수계 배터리와 비교했을 때 같은 수준의 저장용량을 유지하면서 100배 이상의 높은 에너지 저장용량을 보였다. 기존 리튬이온 배터리보다 높은 빠른 출력 밀도를 보인다. 고용량으로 수십 초 내 급속충전이 가능해 안전성이 요구되는 여러 에너지 저장 시스템에 활용 가능할 것으로 기대된다.

강 교수는 “친환경적 이번 기술은 물에서 작동해 전해액 누출과 화재 위험성이 없어 안전성이 뛰어나고 리튬을 이용하지 않아 저비용으로 제작할 수 있고 활용성이 뛰어나다ˮ며 “표면에서의 빠른 화학반응을 이용한 고 표면적의 전극 물질을 이용해 기존보다 높은 전력 밀도와 에너지 밀도를 갖는 시스템 구현이 가능하므로 수계 에너지 저장장치의 상용화에 이바지할 것”이라고 말했다.

강정구 교수 연구팀의 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 2월 9일 자(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)에 실렸다. 제1 저자는 박민규 KAIST 신소재공학과 연구원(박사과정)이다.

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