KAIST, 수십 초 내 급속충전하는 하이브리드 리튬이온 전지 개발

▲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 제작해 만든 하이브리드 전지에 대한 저장 메커니즘 모식도. (사진제공=한국과학기술원)

태양전지 모듈로 수십 초 내 급속충전이 가능한 하이브리드 리튬이온 전지가 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능의 고에너지ㆍ고출력 하이브리드 리튬이온 전지를 개발했다고 3일 밝혔다.

리튬이온 배터리는 현재 대표적인 상업용 에너지 저장 시스템(ESS)이다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차(EVs)부터 각종 스마트 전자기기에 이르기까지 전자 산업에 필수적인 요소로 자리 잡고 있어 ‘제2의 반도체’로 불린다. 다만 유계 전해질의 낮은 이온 전도도, 느린 전기화학적 반응 속도, 전극재의 한정성 등의 특성에 의한 낮은 출력 밀도, 긴 충전 시간, 음극 및 양극 비대칭에 따른 큰 부피 등 근본적인 문제점 때문에 최근 고성능 전극재 및 차세대 에너지 저장 소자 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

하이브리드 전지는 배터리용 음극의 높은 저장 용량과 축전기용 양극의 빠른 이온 충ㆍ방전의 장점을 모두 지니고 있어 차량용 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 많은 주목을 받고 있다. 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.

연구팀은 메조기공(mesopore, 2~50nm(나노미터) 크기의 구멍)과 마이크로 기공(micropore, 2nm(나노미터) 이하 크기의 구멍)이 동시에 존재하는 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체 기반의 고용량 음극재와 양극재 개발을 통해 고성능 하이브리드 리튬이온 전지를 구현했다.

개발한 하이브리드 리튬이온 전지는 이미 상용화된 리튬이온 배터리와 견줄만한 에너지 밀도와 슈퍼 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 갖춘 차세대 에너지 저장 소자다. 수 초에서 수 분의 급속충전이 가능해서 전기차를 비롯해 전기 트램과 스마트 전자기기 등에 활용이 기대된다.

강정구 교수는 “리튬이온 배터리 수준의 에너지 밀도는 물론 고출력 밀도에 의한 급속충전이 가능한 최첨단 리튬이온 전지”라며 “활용 범위를 전기차를 포함해 모든 전자기기로까지 확대한다면 인류 삶의 질을 높일 것으로 기대한다”고 말했다.