▲ 새로운 에너지 저장 하이브리드 소재의 개념도.

현재 이차전지의 저출력과 짧은 수명의 문제점을 개선할 수 있는 신소재 저장 장치가 국내 연구진에 의해 개발돼 향후 고용량과 빠른 충·방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 전기 저장 장치를 개발이 기대되고 있다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 강정구 한국과학기술원(KAIST) 교수팀이 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 개발했다고 6일 밝혔다.

이번 연구는 새로 개발한 다공성의 속이 빈 구형 탄소계 물질을 이를 에너지 저장 소재로 사용한 것이다.

현재 이차전지의 양극 전극 소재는 탄소를 기반으로 하는 소재와 금속산화물을 기반으로 하는 소재가 있다.

탄소 기반 소재는 전해질의 이온을 이용해 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.

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)을 이용했다.

수많은 구멍이 뚫려 있는 표면에 속은 비어 있는 구(球) 모양의 탄소계 물질로 구성하고, 그 내부는 금속화합물로 채운 새로운 구조의 하이브리드 소재를 개발했다.

그리고 이를 에너지 저장 소재의 양극 전극으로 사용해 탄소계 물질의 장점인 긴 수명과 금속계 물질의 장점인 높은 저장 용량을 동시에 구현했다.

본 기술은 향후 2년 정도 대량소재 생산기술 확보와 이를 통한 시스템 제조를 통해 실용화 가능성이 있다.

고용량, 고출력, 그리고 긴사이클 특성을 갖는 활용가능한 에너지 저장시스템을 구현해 전기저장을 위한 소형전지와 중대형전지의 제조를 통한 산업적, 경제적으로 큰 파급효과를 줄수 있을것으로 예측된다.

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

한편, 이번 연구는 미래부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(단장 김광호)’의 지원으로 KAIST 강정구 교수팀이 수행하였으며, 연구결과는 에너지 과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘Energy & Environmental Science지 10월 8일 온라인에 게재, 표지논문으로도 선정됐다.

▲ 니켈산화물이 함유된 속이 빈 탄소계 다공성 물질의 높은 에너지 저장 용량 (1,130 F/g) 및 긴 수명 (50,000 사이클 이상).