KAIST, 물에서 작동하는 급속충전 가능 전지 개발

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한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 강정구 신소재공학과 교수 연구팀이 물에서 작동하는 우수한 성능의 급속충전 가능 하이브리드 전지를 개발했다고 25일 밝혔다.

개발 전지는 리튬 이온 배터리 및 다른 수계 배터리보다 안전성 및 경제성이 우수해 급속충전이 필요한 휴대용 전자기기 등에 적용할 수 있을 전망이다.

현재 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높다는 장점이 있지만, 배터리 발화와 전해액 누출 같은 안정성 문제, 리튬 광물의 높은 가격, 짧은 수명 등 문제가 있다.

물에서 작동하는 금속 산화물 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 상대적으로 매우 저렴하다. 전해질 이온이 전극 물질의 표면에서만 반응해 빠른 충·방전이 가능하다는 장점이 있다.

이번 연구에서개발한 전지 양극과 음극의 합성 원리와 에너지 저장 메커니즘 모식도
<이번 연구에서개발한 전지 양극과 음극의 합성 원리와 에너지 저장 메커니즘 모식도>

그러나 기존 전기 전도성이 낮은 금속 산화물은 충·방전 속도가 떨어지고 질량 당 표면적이 낮아 많은 양의 이온이 반응하지 못한다. 고용량을 구현하기에 어려움이 있었다.

연구팀은 전도성이 금속 산화물보다 100배 정도 높은 다가(전자를 잃고 양 전기를 띄는 상태) 금속 황화물을 수계 에너지 저장 시스템 양극·음극 전극 물질로 활용해 고용량·고출력 성능을 달성했다. 양극 물질로 쓰인 니켈 코발트 황화물과 음극 물질로 쓰인 철 황화물은 모두 고용량을 달성할 수 있는 물질로 알려져 있다.

양극 물질은 표면이 가시로 둘러싸인 메조 다공성 코어-쉘 구조로 표면이 30나노미터(㎚) 크기 니켈 코발트 황화물 나노입자들로 이뤄져 있다. 표면적이 넓고 이온 확산 통로가 풍부해 고용량과 고출력 에너지 저장 성능을 달성한다.

음극 물질은 환원된 산화 그래핀이 무질서하게 엉킨 3D 환원 산화 그래핀 에어로젤 구조를 뼈대로 삼는다. 30㎚ 크기 다가 철 황화물 나노입자들이 무수히 올라 있다. 역시 높은 출력의 에너지 저장이 가능하다.

이런 구조는 전해질 이온이 빠른 속도로 전극 깊숙이 침투해 고출력 충·방전 속도를 낸다. 모든 활성물질이 나노입자로 이뤄져 용량 문제도 해결할 수 있다.

강 교수는 “친환경적인 이 기술은 물에서 작동해 안전성이 뛰어나고 리튬을 이용하지 않아 저비용으로 제작할 수 있다”며 “기존보다 높은 전력 밀도와 에너지 밀도를 갖는 시스템 구현이 가능하다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com