카이스트 연구진, 급속충전 가능한 하이브리드 리튬이온전지 개발

이산화탄소 배출의 많은 부분은 화석연료를 이용한 발전소나 공장, 그리고 자동차에서 비롯된다. 이 때문에 생활 속 탄소배출을 줄이기 위해 각국은 화석연료 중심의 내연기관차에서 점차 수소차, 전기차로 전환하고 있다. 도로에서도 전기차가 점점 눈에 많이 띄고 많은 사람들이 전기차를 구매하고 있는 상황이지만 전기차의 긴 충전시간은 전기차 구매를 망설이게 만드는 원인이기도 하다. 국내 연구진이 급속 충전이 가능한 하이브리드 리튬 이온전지를 개발해 주목받고 있다.

카이스트 신소재공학과 연구팀은 다공성 탄소 구조체를 합성에 이를 바탕으로 고성능 하이브리드 리튬 이온전지를 만드는데 성공했다고 21일 밝혔다. 이번 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 나노과학분야 국제학술지 ‘ACS 나노’에 실렸다.

현재 리튬 이온 배터리는 대표적인 상용 에너지 저장장치로 스마트 전자기기부터 전기차, 대형에너지저장시스템(ESS)까지 활용도가 높다. 문제는 전극 재료의 한계로 인한 낮은 출력밀도, 긴 충전시간, 큰 부피 등의 단점도 갖고 있다.

이 때문에 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합해 저장용량을 높이고 충방전 속도까지 빠르게 만드는 하이브리드 전지는 기존 리튬이온 배터리를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나 이 역시 음극과 양극 재료의 한계 때문에 상용화되지 못하고 있는 상황이다.

이에 연구팀은 대면적 다공성 탄소 구조체를 만들고 이를 음극과 양극 소재로 개발해 고에너지, 고출력 하이브리드 리튬 이온에너지 저장장치를 구현했다. 연구팀이 개발한 대면적 다공성 탄소 구조체는 기존 탄소구조체보다 표면적이 12배나 넓다. 이 때문에 충방전시 부피 팽창으로 인한 성능 저하를 억제하고 리튬 이온의 빠른 이동도 가능하게 만들어 수명도 길어지고 충전속도는 빨라지고 용량은 커지는 결과를 가져왔다.

연구팀은 이번에 개발한 음극과 양극으로 고성능 하이브리드 리튬이온 전지를 만들어 실험한 결과 기존 상용화된 리튬 이온배터리에 버금가는 에너지 밀도와 출력 밀도를 갖고 충전 속도는 수초에서 수분에 이르는 급속충전도 가능한 것으로 확인됐다. 소형 전지로 구현했지만 추가 연구를 통해 대형화한다면 스마트 전자기기는 물론 드론, 전기차에도 적용 가능할 것으로 전망된다.

연구를 이끈 강정구 카이스트 교수는 “전극기준으로 높은 에너지 밀도를 갖고 고출력 밀도에 의한 급속 충전이 가능한 이번 기술은 전기차를 포함한 다양한 전자기기에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.