에너지 밀도 높고 고속 충전 가능한 수계 전해질 기반의 전지 개발
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에너지 밀도 높고 고속 충전 가능한 수계 전해질 기반의 전지 개발
  • 곽지호 기자
  • 승인 2018.04.04 00:25
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그래핀 기반의 고분자와 나노 금속산화물로 음극과 양극 각각 개발해 … 기존 수계 전해질 전지보다 전기 저장 용량 크게 높아져

  EEWS 대학원 강정구 교수 연구팀이 에너지 밀도가 크게 증가한 수계 전해질 기반 에너지 저장장치를 개발했다. 이번 연구는 지난 1월 15일 <어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)>의 표지논문으로 게재됐다.

리튬 전지를 대체할 전지 개발 필요해
  현재 일상생활에서 가장 많이 사용되고 있는 2차전지인 리튬 이온 전지는 유계 전해질을 사용하는 대표적인 전지다. 하지만 유계 전해질 기반 전지는 낮은 출력 밀도로 인해 충전 시간이 길다는 단점이 있으며, 환경 오염이나 리튬 금속 폭발 등의 문제 역시 안고 있다.
  반면, 수계 전해질은 유계 전해질보다 이온 전도도가 100배 이상 높고 친환경적이지만, 낮은 구동 전압으로 인해 낮은 에너지 밀도를 가진다는 한계가 있다. 따라서 고성능, 친환경의 에너지 저장장치를 만들기 위해선 에너지 밀도를 높인 수계 전해질을 기반으로 하는 음극, 양극 물질의 개발이 필요했다.
그래핀 이용한 수계 전해질 전지 개발
  연구팀은 그래핀 위에서 산화 환원 반응을 통해 에너지 저장 물질을 결합시킴으로써 고성능, 고용량의 전지를 개발했다. 음극 제작에 사용한 폴리아닐린*(Polyaniline)은 전도성이 뛰어난 고분자 물질로 잘 알려져 있지만, 이를 수계 전해질 기반 전지에 음극 재료로 사용할 수 있다는 연구 결과는 거의 없었다.
  하지만 연구팀은 그래핀과 폴리아닐린의 비율을 조절하고, 그래핀 표면의 폴리아닐린의 모양과 분포를 최적화함으로써 전지의 성능을 높이는 데 성공했다. 기존 전지는 충전 속도가 높아질수록 전기 저장 용량이 급속히 감소하는 반면, 연구팀이 개발한 그래핀-폴리아닐린 음극은 충전 속도를 높이더라도 전기 용량의 감소가 매우 적다. 또한, 일반 음극의 최대 저장 용량이 300F/g 이하인 데 반해 이번 연구가 개발한 음극은 이를 훨씬 넘어선 445F/g로, 수계 전해질 기반 전지의 상용화 가능성을 제시했다.
  양극 물질에는 연구팀이 이전에 개발했던 기술이 적용됐다. 기존에는 금속산화물이 뭉쳐 에너지 밀도**, 전기 용량 등 전지의 특성이 감소한다는 문제점이 있었으나, 연구팀은 금속산화물을 분자 단위로 그래핀 표면에 재배열하는 전기화학적 방법을 사용해 이온과 금속산화물을 일대일로 반응시키는 데 성공한 바 있다. 결과적으로 연구팀이 개발한 기술이 적용된 금속산화물을 사용하면 이온 저장 능력이 극대화되어 양극의 전기 용량이 3배 이상 증가하는 성과를 가져왔다.

저전력 충전 시에도 전기 용량 유지돼
  일반적인 전지는 음극과 양극에 서로 다른 물질을 사용하기 때문에 각 극에서 이온이 저장되는 메커니즘이 다르다. 이때, 전극 간의 이온 저장에 불균형이 생기면 전기 용량이 감소하는 것은 물론이고 전지의 성능 역시 저하된다.
  이번 연구에서는 두 극 사이의 이온 저장 메커니즘의 차이로 전지의 성능이 저하되는 경우를 최소화해 기존 수계 전해질 기반 전지와 비교해 에너지 밀도를 크게 증가시켰다. 또한, 연구팀이 충전 및 방전 시험을 진행한 결과, 전지를 10만 번 충전 및 방전하더라도 그 성능이 거의 변하지 않았으며, USB 충전기와 같은 저전력 충전 장치를 사용해 짧은 시간 안에도 충전할 수 있음을 확인할 수 있었다.
  이번 논문에 제1 저자로 참여한 옥일우 박사 과정은 “현재의 리튬 이온 전지는 저장 용량이 크다는 장점이 있지만, 급속 충전이 불가능하다는 한계를 갖기 때문에 그 활용 분야에 제한이 있다”며, “이번 연구에서 개발한 전극 물질은 추후 대형 전자기기나 전기 자동차 등에도 적용 가능할 것”이라고 전망을 밝혔다.

폴리아닐린*
전도성 고분자를 대표하는 물질 중 하나로 값싼 단량체 가격 등의 장점이 있다.
에너지 밀도**
단위 부피당 저장된 에너지. 전지나 연료의 효율을 나타내기 위한 지표로 사용된다.


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