▲ 같은 구조체로부터 파생된 서로 다른 두 기능의 전극이 조화되어 고성능의 에너지 저장 장치를 구현하는 개념도.

기존 많은 연구가 이루어진 리튬이온전지와 슈퍼 커패시터의 단점을 해결할 수 있는 장치와 전극이 개발됐다. 속이 빈 다공성 나노튜브를 이용해 고용량·고출력 전기저장 장치로 빠른 충방전 속도 등으로 다양한 분야에서 활약이 기대된다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 지난 11일 강정구 KAIST 교수 연구팀이 기존 이차전지보다 높은 에너지밀도를 가지고 약 100배 빠른 급속충전이 가능한 차세대 하이브리드 에너지 저장 기술을 개발했다고 밝혔다.

기존 리튬이온 전지는 에너지 저장밀도(약 185Wh/kg 수준)가 높지만 충전·출력 특성(200W/kg)이 낮고, 슈퍼커패시터는 충전·출력 특성(20kW/kg)이 좋지만 에너지 저장밀도가 낮은 단점이 있었다.

따라서 세계적으로 전기자동차와 같이 대용량·고출력이 필요한 전지로서는 한계가 있어 이를 극복하기 위한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되고 있다

이에 연구팀은 리튬이온전지와 슈퍼커패시터에 동시 적용이 가능한 전극 물질로 음이온과 양이온이 쉽게 전해질과 내부공간을 통과할 수 있는 메조기공 채널을 포함한 다공성 나노튜브를 개발하고, 이를 바탕으로 리튬이온 전지와 슈퍼커패시터의 서로 다른 에너지저장 원리를 융합하여 새로운 형태의 에너지 저장 장치를 개발하였다.

이를 통해 본 연구팀이 개발한 하이브리드 에너지 저장장치 기술은 기존 리튬이온 전지와 비교하면 에너지저장 밀도는 1.5배 수준인 275 Wh/kg을 달성하였고, 충전·출력 특성은 23kW/kg로 리튬이온 전지의 100배를 초과 하였다.

이러한 새로운 하이브리드 에너지저장 장치는 기존 이차전지보다 높은 용량을 가짐과 동시에 슈퍼커패시터에 상응하는 고속 충방전 성능으로 에너지저장 밀도(~200Wh/kg)에 도달하는데 걸리는 충방전 시간을 약 30초 정도로 단축하는 것이 가능하며, 최대 출력 시 20초 만에 약 130Wh/kg의 에너지저장 밀도를 달성하는 것이 가능하다.

김광호 ‘하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단’사업단장은 “고용량의 에너지저장 밀도와 우수한 입출력 특성을 갖는 급속충전이 가능한 원천소재를 개발했다”며, “미래용 전기자동차 및 모바일 디바이스 등의 에너지저장 장치로 활용되는 미래핵심기술이 될 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

아울러, “앞으로는 상용화를 위한 대량 생산이 가능한 공정 최적화 관련 추가연구를 진행해 기술이전 또는 연구자의 벤처창업을 추진할 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 세계 최고 원천기술 확보를 위해 추진하는 글로벌프런티어사업의 지원으로 이루어졌으며 연구성과는 에너지재료분야의 세계적 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’紙 9월 23일(금) 온라인판으로 게재되었고 VIP논문으로 추천되었다.