[IT비즈뉴스 최태우 기자] 카이스트(KAIST) 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 물에서 작동하는 고성능의 급속충전이 가능한 하이브리드 전지를 개발했다고 밝혔다.

강정구 교수 연구팀은 현재 전극물질로 많이 사용되고 있는 금속 산화물보다 전도성이 좋은 금속황화물을 양쪽 전 물질로 활용했다.

여기에 표면적이 높은 메조 다공성 전극 구조를 기반으로 고에너지 밀도와 고출력을 갖는 하이브리드 수계 이온 에너지 저장소재를 구현하는 데 성공했다.

리튬이온 배터리는 대표적인 에너지저장시스템으로 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다. 그러나 배터리 발화와 전해액 누출 같은 안정성 문제와 리튬 광물의 높은 가격, 이온의 느린 삽입/탈리과정으로 인한 낮은 출력과 짧은 수명 등의 문제점이 있다.

반면 물에서 작동하는 금속 산화물 기반 에너지 저장소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 상대적으로 저렴하고 전해질 이온이 전극 물질의 표면에서만 반응해 빠른 충전-방전이 가능하다는 장점으로 주목받고 있다.

허나 기존의 전기 전도성이 낮은 금속 산화물은 충전/방전 속도 면에서 성능이 떨어졌고 질량 당 표면적이 낮아 고용량을 구현하기에 어려움이 있었다.

강정구 교수팀은 전도성이 금속 산화물보다 100배 정도 높은 다가의 금속황화물을 수계 에너지저장시스템의 각각 양극과 음극의 전극 물질로 활용해 고용량과 고출력의 성능을 달성했다. 

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

양극 물질은 메조 다공성 코어-쉘 구조로 표면이 30나노(nm) 크기의 니켈 코발트 황화물 나노입자들로 구성돼 있어 표면적이 높고 이온 확산 통로가 풍부하게 존재해 수계 이온 기반 에너지저장시스템에서 고용량과 고출력의 에너지 저장성능을 달성했다.

음극 물질은 환원된 산화 그래핀이 쌓이지 않고 무질서하게 엉킨 3D 환원된 산화 그래핀 에어로젤 구조를 뼈대로 삼고 크기 30나노 수준의 다가의 철 황화물 나노입자가 무수히 쌓인 구조로 활성 표면적이 높고 3D 그래핀 구조가 갖는 이온 확산 통로 덕분에 높은 출력의 에너지 저장이 가능하다.

이렇게 개발한 저장소자는 기존의 수계 배터리에 비해 같은 수준의 저장용량을 유지하면서 100배 이상의 높은 에너지 저장용량을 보였다. 

연구진은 리튬이온 배터리나 다른 수계 배터리보다 안전성과 경제성에서 우수해 급속충전이 필요한 휴대용 전자기기 및 안전이 중요시되는 상황에서 배터리 사용 등에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

강정구 교수는 “물에서 작동해 전해액 누출 및 화재의 위험성이 없어 안전성이 뛰어나고 리튬을 이용하지 않아 저비용으로 제작할 수 있고 활용성이 높다”며 “표면에서의 빠른 화학반응을 이용한 고 표면적 전극물질을 이용해 기존보다 높은 전력밀도와 에너 밀도를 갖는 시스템 구현이 가능하다”고 말했다.

과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단과 수소에너지 혁신기술사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 25.245)’에 2월9일 게재됐다.