EEWS대학원 강정구 교수와 강원대학교 나노응용공학과 정형모 교수 공동연구팀이 높은 에너지 밀도*를 가지면서도 빠른 충전과 오랜 사용이 가능한 에너지 저장 소자를 개발했다. 이번 연구는 지난 8월 15일 <어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)> 온라인판에 게재됐다.

리튬 전지 단점 보완할 수 있는 AHC 

 현재 전자기기, 전기 자동차 등에는 대부분 리튬 이온 배터리가 사용되고 있다. 리튬 이온 배터리는 방전 시 음극에 저장되어 있던 리튬 이온이 양극으로 이동하고, 이와 동시에 외부로 연결된 회로로 전자가 흘러나간다. 여기서 배터리 내부는 리튬 이온이 이동할 수 있도록 전해액**으로 채워진다. 

 리튬 이온 배터리에 사용되는 전해액은 가연성이 높은 유기 물질이어서 화재나 폭발의 위험성이 높다. 따라서 높은 밀도로 에너지를 저장하도록 성능을 개선할 때에도 안전과 관련한 문제가 직결된다. 또한, 충전 시간이 길고 충전 및 방전에 따른 구조의 변화가 커서 수명이 짧다는 단점도 존재한다. 이에 물을 전해액으로 사용하는 수계 에너지 저장 소자가 주목받기 시작하였다. 그러나 수계 에너지 저장 소자는 작동 전압의 범위가 작고, 저장하는 에너지의 밀도도 작다는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위해 양극과 음극에 각각 다른 종류의 전극을 사용하는 수계 하이브리드 에너지 저장 소자(Aqueous Hybrid Capacitor, AHC)의 개발이 주목받고 있다.

다공성 구조가 에너지 밀도 증가시켜

 연구팀이 개발한 수계 하이브리드 에너지 저장 소자는 두 전극 모두 금속 산화물 나노 입자가 그래핀의 2차원 평면 위에 올려져 있는 구조이다. 소자를 충전하거나 방전할 때 나트륨 이온(Na+)이 양극과 음극 사이를 오가게 된다. 여기서 금속 산화물은 이온을 저장하고, 그래핀의 전기 전도성이 이온을 원활하게 이동시키는 역할을 담당한다. 소자의 양극에 사용된 금속 산화물은 사산화삼망가니즈(Mn3O4)이다. 이 금속 산화물은 리튬 삽입 반응(Lithiation)을 거쳐 다시 탈리튬화(Delithiation)된 후 그래핀 위에 올려진다. 연구팀은 이 과정에서 사산화삼망가니즈 나노 입자의 표면이 잘게 갈라지며 다공성 구조가 생기는 것을 발견했다. 또한, 연구팀은 리튬 삽입 반응, 탈리튬화 과정 동안 사산화삼망가니즈의 구조는 변하지 않으면서 다공성 구조가 생성되어 나트륨 이온을 저장할 수 있는 면적이 증가함을 검증했다. 

 연구팀은 같은 방법을 사용하여 음극에서도 다공성 구조를 가지는 산화철(Fe2O3) 나노 입자를 개발했는데, 이는 양극에 적합한 물질을 찾는 것에 집중되었던 기존 연구와 차별화된다. 이렇게 개발한 양극과 음극을 연결한 결과, 기존 소자보다 저장된 에너지의 밀도가 약 5배 높고 빠른 충전이 가능하며, 반복적인 충전 및 방전에 대한 내구성도 더 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.

 이번 연구는 기존보다 저장 가능한 에너지 밀도가 크게 증가한 소자를 개발함으로써 고성능 전지의 개발 가능성을 제시하였다는 의의가 있다. 연구에 제1 저자로 참여한 최재원 박사 과정은 “추후 소자의 대형화에 대한 연구가 진행된다면 이번 연구를 바탕으로 기존보다 월등한 성능을 보이는 배터리를 상용화할 수도 있다”고 전했다.

에너지 밀도*

전지나 연료의 효율을 나타내는 지표로, 단위 부피 혹은 단위 질량 당 에너지.

전해액**

전해질 용액의 줄임말으로, 전해질이 녹아 양이온과 음이온으로 전리한 용액.