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[신기술]급속충전이 가능한 하이브리드 리튬이온 전지
2021년 1월 1일 (금) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2021년 1월호 - 전체 보기 )

급속충전이 가능한 하이브리드 리튬이온 전지
다공성 구조의 전도성 탄소 구조체 기반 고용량 전극

환경적인 영향이 큰 대형 발전소와 송전시설을 회피할 수 있다는 점에서 분산전원에 대한 관심이 커지고 있다. 그러나 환경적 이점에도 불구하고 주파수 유지와 전압 유지 등은 분산전원 확대의 걸림돌로 지적된다. 이와 같은 전력 계통에 미치는 영향을 완화하기 위한 방안으로 에너지 저장 시스템(ESS)에 대한 연구가 활발하다. 이러한 전기 저장 기술은 재해가 발생했을 때 비상용 전원으로도 활용될 수 있고, 전기차나 전기트램 등의 이동수단에 동력을 제공하는 등 활용범위가 점점 더 확대되고 있다. 특히, 일상에서 전기저장 기술의 편의를 높이려면 충전 속도와 에너지 밀도 등이 개선될 필요가 있다. (메인 이미지: KAIST의 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 개발한 하이브리드 리튬이온 전지 기술에 대한 연구는 〈어드밴스드 에너지 머터리얼〉(Advanced Energy Materials) 11월 10일자에 실렸으며 표지논문으로 선정됐다.)

강창대 기자 
자료 한국과학기술원(KAIST)

KAIST의 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능의 고에너지·고출력 하이브리드 리튬이온 전지를 개발해 눈길을 끌고 있다.

KAIST가 2020년 12월 3일에 발표한 바에 따르면, 강정구 교수 연구팀은 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체기반의 고용량 음극재와 양극재를 개발했고, 이를 통해 성능 하이브리드 리튬이온 전지를 구현했다. 연구팀이 개발한 전도성 탄소 구조체는 2~50 nm 크기의 구멍인 메조기공(mesopore)과 2 nm 이하 크기의 구멍인 마이크로기공(micropore)이 동시에 존재한다.1) 연구팀이 개발한 하이브리드 리튬이온 전지는 이미 상용화된 리튬이온 배터리와 견줄만한 에너지 밀도와 슈퍼 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 갖춘 차세대 에너지 저장 소자로 평가된다. 수 초에서 수 분의 급속충전이 가능해서 전기차를 비롯해 전기 트램이나 스마트 전자기기 등에 활용이 기대된다.

리튬이온 배터리의 잠재력과 한계
리튬이온 배터리는 현재 대표적인 상업용 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)이다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차(Electric Vehicles, EVs)부터 각종 스마트 전자기기에 이르기까지 전자 산업에 필수적인 요소로 자리 잡고 있어 ‘제2의 반도체’로 불릴 정도다.

2019년 존 구드너(John B Goodenough), 스텐리 휘팅엄(M Stanley Whittingham) 및 아키라 요시노(Akira Yoshino) 3명이 노벨 화학상을 수상한 바 있다. 당시, 라라 스노거룹 린세(Sara Snogerup Linse)노벨위원회 위원장은 리튬이온 배터리가 휴대용 전자기기에 전원으로 사용된다는 점을 지적하며 응용범위가 넓고 잠재력이 큰 경량 배터리를 개발한 점을 높게 치하했다. 이로써 리튬이온 배터리가 현재와 미래에 갖는 의미는 분명해졌다.

리튬이온 배터리는 넓은 구동 전압과 높은 에너지 밀도로 현존하는 에너지 저장 시스템 중 가장 높은 점유율을 보유하고 있다. 그러나 유계 전해질의 낮은 이온 전도도, 느린 전기화학적 반응 속도, 전극재의 한정성 등의 한계도 있다. 이로 인해 낮은 출력 밀도, 긴 충전 시간, 음극 및 양극 비대칭에 따른 큰 부피 등과 같은 근본적인 문제점을 갖는다.

이처럼 리튬이온 배터리는 전극 소재의 고갈, 에너지 저장 원리, 소자 개발 기술 등의 근본적인 문제로 기술 포화 상태에 도달하였다. 다양한 형태의 차세대 에너지 저장 장치가 개발되고 있지만, 원천적인 문제 해결은 이루어지지 못하는 실정이다. 따라서 전기화학적 물성이 개선된 고성능 전극 물질과 에너지 저장 메커니즘의 이해를 통한 새로운 형태의 전지 개발이 필요하다.

이러한 가운데 하이브리드 리튬이온 커패시터는 리튬이온 배터리의 애노드 전극과 커패시터의 캐소드 전극을 결합한 전지로 고에너지, 고출력, 그리고 고안정성의 특성 구현이 가능하여 차세대 전지로 주목받고 있다.

고에너지·고출력 하이브리드 전지
하이브리드 전지는 배터리용 음극의 높은 저장 용량과 축전기용 양극의 빠른 이온 충·방전의 장점을 모두 지니고 있어 차량용 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 많은 주목을 받고 있다. 하지만 고에너지 및 고출력 밀도의 전지를 구현하기 위해서 배터리용 음극의 전기 전도도와 이온 저장 특성 개선, 축전기용 양극의 이온 저장 용량 증가, 그리고 서로 다른 이온 저장 메커니즘에 따른 두 전극의 최적화 과정이 필요하다.

강 교수 연구팀은 다공성 구조의 환원된 산화 그래핀을 활용한 전도성 탄소 기반의 음극 및 양극 소재를 개발하는 한편, 속도 특성이 개선된 고용량 음극과 양극을 통해 고에너지·고출력의 하이브리드 리튬이온 에너지 저장 장치를 구현하는 데 성공했다.

메소 기공(mesopore)과 마이크로 기공(micropore)이 동시에 존재하는 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체 기반의 고용량 음극과 양극 재료의 합성 과정 및 이를 전극으로 제작하여 만든 하이브리드 전지에 대한 저장 메커니즘 모식도.


연구팀은 우선 배터리용 음극 재료로 다공성 나노결정인 금속-유기 골격체(Metal-Oraganic Frameworks, MOFs)의 탄화 과정을 통해 5~10 nm 크기의 몰리브덴 금속 산화물(MoO2)이 결합된 탄소 구조체를 만들었다. 탄화 과정에서 탄소 구조체를 감싸는 산화 그래핀은 환원되면서 전도성 탄소 결합 형성으로 전기 전도도를 향상시키며, 선택적 금속 식각으로 마이크로 기공이 형성된 다공성 구조를 제작했다. 이러한 마이크로 기공은 전해질 속 리튬이온(Li+)의 침투를 쉽게 하며, 나노 크기의 금속 산화물과 환원된 산화 그래핀 껍질은 전기 전도도 향상을 통해 높은 용량과 고율 방전 특성을 보인다.

이와 함께 연구팀은 축전기용 양극 재료로 섬유형 전도성 고분자를 환원된 산화 그래핀 면에 가교화시켜 새로운 구조를 만드는 제작기술을 적용했다. 전도성 고분자인 폴리아닐린 (polyaniline, PANI)은 저온에서 순간적으로 중합돼 환원된 산화 그래핀 면에서 강한 결합력(π-π결합)을 가지며, 질소 도핑 효과에 의해 음이온(PF6-)의 흡착을 가능케 한다.

전도성 폴리아닐린 고분자-환원된 산화 그래핀 양극은 환원된 산화 그래핀 대비 200% 증가한 이온 저장 용량과 함께 상용화된 활성탄 (activated carbon, AC)에 준하는 에너지 저장 특성을 보였다. 연구팀은 이러한 과정을 거쳐 새로 개발한 음극재(MoO2@rGO)와 양극재(PANI@rGO)를 활용해 고성능 하이브리드 전지를 개발했다.

기존 에너지 저장 소자를 상위하는 고에너지·고출력 밀도를 보여주는 라곤 플롯 (Ragone plot)과 태양전지 모듈을 활용한 급속 충전된 소자 특성 구현 사진.

고성능 전극 개발 방향성 제시
연구팀 관계자는 “이 하이브리드 전지는 기존 리튬이온 배터리 수준의 고에너지 밀도와 함께 넓은 구동 전압 범위에서 고출력 특성을 보인다”면서 “태양전지 모듈로 수십 초 내 급속충전이 가능해서 기존에 나와 있는 에너지 저장 시스템의 한계를 개선했다”고 말했다. 연구를 주도한 강정구 교수도 “리튬이온 배터리 수준의 에너지 밀도는 물론 고출력 밀도에 의한 급속충전이 가능한 최첨단 리튬이온 전지”라고 소개하면서 “활용 범위를 전기차를 포함해 모든 전자기기로까지 확대한다면 인류 삶의 질을 높일 것으로 기대한다”고 의미를 부여했다.

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1) 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단과 미래창조과학부 수소에너지 혁신기술사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 〈어드밴스드 에너지 머터리얼〉(Advanced Energy Materials) 11월 10일자에 실렸으며 표지논문으로 선정됐다. (논문명: Metal-Organic Framework-Derived Anode and Polyaniline Chain Networked Cathode with Mesoporous and Conductive Pathways for High Energy Density, Ultrafast Rechargeable, and Long-Life Hybrid Capacitors) 

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