KAIST(총장 신성철)는 강정구 신소재공학과 교수 연구팀이 고에너지, 고출력이 가능한 하이브리드 리튬이온 전지를 개발했다고 3일 밝혔다.

이번에 개발한 전지는 이미 상용화된 리튬이온 배터리와 견줄만한 에너지 밀도와 슈퍼 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 갖춘 차세대 에너지 저장 소자로 평가된다. 수초에서 수분의 급속충전이 가능해 전기차를 비롯, 전기 트램과 스마트 전자기기 등에 활용이 기대된다.

리튬이온 배터리는 현재 대표적인 상업용 에너지 저장 시스템(ESS)으로 알려진다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차부터 각종 스마트 전자기기에 이르기까지 전자 산업의 필수 요소로 제2의 반도체로 불리기도 한다. 2019년 노벨 화학상 수상으로 실효성도 증명됐다. 하지만 낮은 출력 밀도, 긴 충전시간, 음극 및 양극 비대칭에 따른 큰 부피 등 문제를 안고 있었다.

강 교수 연구팀은 다공성 구조의 환원된 산화 그래핀을 활용해 전도성 탄소 기반의 음극과 양극 소재를 개발했다. 또 속도 특성이 개선된 고용량 음극과 양극을 통해 고에너지, 고출력의 하이브리드 리튬이온 에너지 저장 장치를 구현하는데 성공했다.

연구팀은 우선 배터리용 음극 재료로 다공성 나노결정인 금속-유기 골격체(MOFs)의 탄화 과정을 통해 5~10 나노미터 크기의 몰리브덴 금속 산화물(MoO₂)이 결합된 탄소 구조체를 만들었다. 이와 함께 축전기용 양극 재료로 섬유형 전도성 고분자를 환원된 산화 그래핀 면에 가교화 시켜 새로운 구조를 만드는 제작기술을 적용했다.

그 결과 고분자-환원된 산화 그래핀 양극이 환원된 산화 그래핀 대비 200% 증가한 이온 저장 용량 특성을 보였다. 또 상용화 된 활성탄에 준하는 에너지 저장 특성을 갖고 있는 것으로 확인됐다. 연구팀은 이를 통해 새로 개발한 음극재(MoO2@rGO)와 양극재(PANI@rGO)를 활용, 고성능 하이브리드 전지를 개발하는데 성공했다.

연구팀에 의하면 이 하이브리드 전지는 기존 리튬이온 배터리 수준의 고에너지 밀도와 넓은 구동 전압 범위에서 고출력 특성을 보였다. 특히 태양전지 모듈로 수십초 내 급속 충전이 가능해 기존에 나와 있는 에너지 저장 시스템의 한계를 개선했다는게 연구팀의 설명이다.

강정구 교수는 "리튬이온 배터리 수준의 에너지 밀도는 물론 고출력 밀도에 의한 급속 충전이 가능한 최첨단 리튬이온 전지"라면서 "활용 범위를 전기차를 포함해 모든 전자기기로까지 확대한다면 인류 삶의 질을 높일 것으로 기대한다"고 강조했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단과 수소에너지 혁신기술 사업의 지원을 받았다. 결과는 재료분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼'에 지난달 10일 표지논문으로 선정됐다.