한국과학기술원(KAIST)이 25일 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 물에서 작동하면서도 급속충전이 가능한 하이브리드 전지를 개발했다고 밝혔다.
이번에 개발된 전지는 리튬 이온 배터리 및 다른 수계 배터리보다 안전성 및 경제성이 우수해 급속충전이 필요한 휴대용 전자기기 등에 적용할 수 있을 것으로 전망된다.
현재 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높다는 장점이 있으나, 배터리 발화와 전해액 누출 같은 안정성 문제와 함께 리튬 광물의 높은 가격, 짧은 수명 등의 문제가 있었다.
물에서 작동하는 금속 산화물 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 상대적으로 매우 저렴하며, 전해질 이온이 전극 물질의 표면에서만 반응해 빠른 충전-방전이 가능하다는 장점이 있다.
다만 기존 전기 전도성이 낮은 금속 산화물은 충전/방전 속도가 낮고 질량 당 표면적이 낮아 많은 양의 이온이 반응하지 못해 고용량을 구현하기에 어려움이 있었다.
연구팀은 전도성이 금속 산화물보다 100배 정도 높은 다가(전자를 잃고 양(+) 전기를 띄는 상태) 금속 황화물을 수계 에너지 저장 시스템의 각각 양극과 음극의 전극 물질로 활용해 고용량과 고출력의 성능을 달성했다.
양극 물질로 쓰인 니켈 코발트 황화물과 음극 물질로 쓰인 철 황화물은 모두 고용량을 달성할 수 있는 물질로 알려져 있다.
양극 물질은 표면이 가시로 둘러싸인 메조 다공성 코어-쉘 구조로 표면이 30nm(나노미터) 크기의 니켈 코발트 황화물 나노입자들로 이루어져 있어서 표면적이 높고 이온 확산 통로가 풍부하게 존재해 고용량과 고출력의 에너지 저장성능을 달성했다.
음극 물질은 환원된 산화 그래핀이 쌓이지 않고 무질서하게 엉킨 3D 환원된 산화 그래핀 에어로젤 구조를 뼈대로 삼아 30nm 크기의 다가 철 황화물 나노입자들이 무수히 올려져 있는 구조다.
이 역시 풍부한 나노입자에 의해 활성 표면적이 높고 3D 그래핀 구조가 가지고 있는 이온 확산 통로 덕분에 높은 출력의 에너지 저장이 가능하다.
이 구조는 전해질 이온이 빠른 속도로 전극 깊숙이 빠른 침투가 가능해 고출력의 충전-방전 속도를 나타낼 수 있다. 또 모든 활성물질이 나노입자로 이뤄져 기존의 표면적이 낮은 금속 산화물 전극의 낮은 용량의 문제도 해결했다.
강 교수는 "친환경적인 이 기술은 물에서 작동해 전해액 누출 및 화재의 위험성이 없어 안전성이 뛰어나고 리튬을 이용하지 않아 저비용으로 제작할 수 있고 활용성이 뛰어나다ˮ며 "표면에서의 빠른 화학반응을 이용한 고 표면적의 전극 물질을 이용해 기존보다 높은 전력 밀도와 에너지 밀도를 갖는 시스템 구현이 가능하므로 수계 에너지 저장 장치의 상용화에 이바지할 것ˮ이라고 밝혔다.
