▲ 래핀 산화물이 포함된 액정으로부터 에어로졸 공정에 의해 제조된 구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물. 이를 저온 열처리에 의한 부분 환원 및 산화 공정을 통해 활성화 그래핀을 제조했다.

국내 연구진이 차세대 배터리로 주목받는 칼륨과 나트륨이온배터리 전극 소재로 그래핀(Graphene)을 적용할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발해 에너지저장장치 상용화에 기여할 전망이다.

한국지질자원연구원(원장 김복철, KIGAM) 장희동 박사 연구팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀은 에어로졸 공정으로 제조된 구겨진 종이공 모양의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리 활성화 과정을 통해 칼륨 및 나트륨 이온 배터리 소재에 적용하는데 성공했다고 지난 11일 밝혔다.

칼륨이온배터리는 전압이 높고 에너지 밀도가 크며, 나트륨이온배터리는 안전하고 가격이 싸며 원료 확보가 용이해 리튬이온배터리를 대체할 차세대 대용량 배터리로 주목받고 있다. 그래핀은 2차원 구조 나노소재로서 강도, 열전도율, 전기전도도 등에 있어 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재로 새로운 전극 물질로 활용하기 위한 연구가 활발하다.

그동안 칼륨 및 나트륨이온배터리의 전극 물질로 그래핀을 적용한 연구가 시도됐으나 2차원 구조의 그래핀들이 서로 붙어 층층이 쌓임에 따라 우수한 특성을 잃어버리는 문제점이 발생했다.

이에 장희동 박사 연구팀은 구조·화학적으로 안정한 구겨진 종이공 형상의 그래핀 결정 구조를 조절·활성화시켜 칼륨 및 나트륨이온배터리에 적용했다. 활성 그래핀을 사용한 이온배터리는 높은 저장 용량, 고속 충방전 및 장시간 안정성 등의 우수한 물성을 나타냈다.

특히, 이번 연구의 활성 그래핀은 에어로졸 공정으로 제조된 구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리를 통해 활성화시킨 것으로 세계 최초로 시도된 것이다.

연구팀은 제조된 활성 그래핀의 전기화학 특성을 평가한 결과 칼륨이온배터리는 가역 정전 용량이 340mAhg-1 이었고, 나트륨은 280mAhg-1 이었으며 8,000 사이클 이후에도 높은 안정성을 유지했다.

연구팀은 이번 연구 결과가 차세대 에너지저장장치에 활용될 칼륨 및 나트륨이온배터리의 실질적 활용 가치를 증명했다는 점에 의의를 뒀다. 또한 향후 기술 실용화와 상용화가 이뤄질 경우 기존 리튬이온배터리 에너지저장장치를 대체 할 수 있어 수십조원 이상의 경제적 효과가 창출될 것으로 기대하고 있다.

교신저자인 장희동 박사는 “이번 연구 결과는 활성 그래핀을 활용한 칼륨 및 나트륨 전극 소재가 차세대 이차전지의 원료 소재로 높은 활용 가능성을 보여주었다는 점에서 가치가 있다”고 말하며, “자원빈국인 우리나라가 차세대 에너지저장장치를 선도할 수 있도록 기술 실용화에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.

한편 이번 연구성과는 에너지 저장소재 분야 세계 최고 저널인 Advanced Energy Materials (IF 24.884)에 실렸다.