? KAIST, 물에서 급속충전 가능한 안전성 높은 전지 개발

김양수

 

2021.02.25. 17:17

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© 뉴시스 [대전=뉴시스]

 

KAIST서 개발한 수계 하이브리드 에너지 저장장치의 금속황화물 나노입자 양극과 실제 구동이미지. *재판매 및 DB 금지KAIST는 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 물에서 작동하는 급속충전 하이브리드 전지를 개발했다고 25일 밝혔다.

 

안정성과 경제성이 높고 급속충전용 전자기기의 배터리 등에 사용이 가능한 이번 연구결과는 재료분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 25.245)'에 지난 9일 게재됐다.

 

논문명:수계 하이브리드 전지(Mesoporous thorn-covered core-shell cathode and 3D reduced graphene oxide aerogel composite anode with conductive multivalence metal sulfides for high-performance aqueous hybrid capacitors.)

 

리튬 이온 배터리와 달리 물에서 작동하는 금속 산화물 기반 에너지 저장소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 저렴하고 빠른 충전-방전이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 리튬 이온을 대체하면서 기존의 문제점을 극복할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 주목받고 있다.

 

하지만 기존 전기 전도성이 낮은 금속 산화물은 충전-방전 속도에서 성능이 떨어졌고 질량 당 표면적이 낮아 많은 양의 이온이 반응하지 못하면서 고용량을 구현하기에 어려움이 있었다.

 

이에 따라 강정구 교수팀은 전도성이 금속 산화물보다 100배 정도 높은 '다가'(전자를 잃고 (+)전기를 띄고 있는 상태)의 금속 황화물을 수계 에너지 저장 시스템의 양극과 음극의 전극물질로 활용해 고용량과 고출력의 성능을 달성했다.

 

또 표면적이 높은 메조 다공성의 전극 구조를 기반으로 높은 에너지 밀도와 고출력을 갖는 하이브리드 수계 이온 에너지 저장 소재를 구현했다.

 

양극 물질로 쓰인 니켈 코발트 황화물과 음극 물질로 쓰인 철 황화물은 모두 2 개의 산화수 상태로 존재해 작동 전압 범위 내에서 풍부한 레독스 반응을 일으켜 고용량을 달성할 수 있다.

 

연구팀은 "풍부한 메조 다공성의 이온 확산 통로가 있는 구조는 전해질 이온이 빠른 속도로 전극 깊숙이 침투가 가능해 고출력의 충전-방전 속도를 나타낼 수 있다"며 "나노입자로 모든 활성물질을 만들면 기존 표면적이 낮은 금속 산화물 전극의 낮은 용량 문제를 해결할 수 있다"고 설명했다.

 

이 수계 하이브리드 저장 소자는 기존의 수계 배터리에 비해 같은 수준의 저장용량을 유지하면서 100배 이상의 높은 에너지 저장용량을 보이고 리튬이온 배터리보다 높고 빠른 출력 밀도를 갖는다.

 

특히 고용량으로 수십 초 내 급속충전이 가능해 안전성이 요구되는 여러 에너지 저장시스템에 활용될 수 있다.

 

강 교수는 "친환경적인 이 기술은 물에서 작동해 전해액 누출 및 화재의 위험성이 없어 안전성이 좋고 리튬을 이용하지 않아 저비용으로 제작할 수 있다"며 "표면에서의 빠른 화학반응을 이용해 기존보다 높은 전력 밀도와 에너지 밀도를 갖는 시스템 구현이 가능하다"고 말했다.

 

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