국내서 '고용량·반영구 차세대 에너지저장 소재' 개발

KAIST 강정구 교수팀

신숙희 기자 과학 송고시간 2014/11/09 00:00:00 최종 업데이트 2014/11/09 00:00:00

[연합경제]한국과학기술원(KAIST) 강정구 교수팀이 기존보다 에너지 저장 용량이 2.5배(1,150F/g) 높으면서도, 반영구적인 수명(5만 번 이상 충·방전 가능)을 가진 차세대 에너지 저장 소재를 개발했다고 7일 밝혔다.

이 소재는 전지저장 장치, 미래용 전기자동차, 모바일 디바이스 등 초고용량의 에너지 밀도와 빠른 충방전 속도, 영구적 수명을 가지는 모든 분야에 응용이 가능하다.

에너지 저장 소재로 활용되기 위해서는 에너지 저장 용량이 커야하며 긴 수명을 가져야 한다. 그러나 현재 이차전지는 양(+)극 전극으로 사용되는 소재의 특성상 그 한계가 있다.

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 있다.

▲새로운 에너지 저장 하이브리드 소재의 개념도(사진=과학기술원 제공)

반대로 물질의 화학반응을 이용하는 금속산화물 기반 소재는 많은 에너지를 저장할 수 있지만 느린 충·방전 속도, 짧은 수명이 단점이다. 
 
따라서 긴 수명과 고출력 특성, 그리고 높은 에너지 저장 용량을 동시에 갖도록 하기 위해서는 기존과 다른 새로운 소재 개발이 절실했다.
 
이번 연구로 탄소계 물질과 금속산화물의 단점을 보완하고 두 물질의 장점을 높인 고용량·고출력·긴 수명의 에너지 저장 양극전극 소재 제작에 성공했다.
 
연구팀은 금속화합물이 첨가된 탄소계 원료 용액을 바늘을 통해 분사시키면서 동시에 열처리하는 방법을 이용했다.

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

이를 에너지 저장 소재의 양극 전극으로 사용해 탄소계 물질의 장점인 긴 수명과 금속계 물질의 장점인 높은 저장 용량을 동시에 구현했다.
 
연구팀은 "이번 성과는 대량생산이 가능한 합성법을 사용하면서도 높은 에너지 저장용량, 고출력, 그리고 긴 수명을 동시에 달성하는 새로운 소재를 개발한 것으로 향후 고용량 에너지 저장 기술의 상용화에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 '하이브리드인터페이스기반미래소재연구단'의 지원으로 KAIST 강정구 교수팀이 수행했다. 연구결과는 지난달 8일 에너지 과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘Energy & Environmental Science지(紙) 온라인판에 게재됐으며 표지논문으로 선정됐다.(연합경제=과학팀)
 

신숙희
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