그래핀 위에 형성된 다공성 금속 산화물 나노입자 전극의 수계 이온 저장 특성을 나타낸 이미지(논문캡처)

생산된 에너지를 효율적으로 이용하기 위해서는 고성능의 전기 화학적 에너지 저장 시스템 (ESS)을 개발하는 것이 필수적이다. 리튬 이온 전지(LIB)로 대표되는 유기계의 에너지 저장 소자가 주로 사용되고 있으나, 유기 전해질의 사용으로 인한 안정성 문제와 긴 충전 시간, 짧은 수명의 문제점을 가지고 있다.

또한 물(HO₂₎ 기반의 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 비용적인 측면에서 유리하지만, 좁은 전압 범위와 저용량에 의한 낮은 에너지 밀도가 한계이다. 이를 극복하기 위해서는 고용량의 전극 물질 개발이 필요하며, 양극과 음극에 다른 저장 메커니즘을 갖는 두 가지의 물질을 이용한 하이브리드 소자를 제작하여 전압 범위를 넓히는 것이 무엇보다도 필요한 시점이다.

이처럼 금속 산화물이 고성능의 전극으로 각광받고 있으나 지금까지의 연구 결과로는 실질적인 사용에 한계가 있는 수준이며, 양극과 음극에 모두 적용할 수 있는 고성능의 물질 개발이 필요한 상황에 국내연구진 KAIST(총장 신성철) EEWS대학원/신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 다공성 금속 산화물 나노입자와 그래핀을 이용해 고성능, 고안정성을 갖는 물 기반 하이브리드 에너지 저장 소자를 개발한 것이다.

이 하이브리드 소자는 기존 배터리에 비해 100배 이상 빠른 출력 밀도를 보이며 수십 초 내로 급속 충전이 가능해 소형의 휴대용 전자기기 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

강정구 교수(사진:KAIST)

강 교수는 “다공성의 금속 산화물 전극이 가진 기존 기술 이상의 고용량, 고출력 특성은 새로운 개념의 에너지 저장장치의 상용화에 기여할 것이다”며 “수십 초 내의 급속 충전이 가능하기 때문에 휴대폰, 전기자동차 등의 주전원이나 태양에너지를 전기로 직접 저장해 플렉서블 기기에 적용될 수 있을 것이다”고 말했다.

리튬 이온 배터리를 비롯한 기존 유계 에너지 저장 소자는 넓은 전압 범위와 높은 에너지 밀도를 갖지만 유기 전해질의 사용에 따른 화재 등의 안전 문제가 뒤따른다. 또한 전기화학적 반응 속도가 느리기 때문에 소자를 충전하는데 긴 시간이 필요하고 사이클이 짧다는 한계가 있다.

이에 반해 수계 전해질 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적 소자로써 주목받고 있다. 하지만 제한된 전압 범위와 낮은 용량으로 인해 유계 기반 소자에 비해 에너지 밀도가 낮은 단점을 가지고 있다.

연구팀은 금속 산화물과 그래핀을 결합한 뒤 수계 기반 전해질을 사용해 높은 에너지 밀도, 고출력, 우수한 사이클 특성을 갖는 에너지 저장 전극을 개발했으며, 이번 연구에서 개발한 다공성의 금속 산화물 나노 입자는 2~3 나노미터 크기의 나노 클러스터로 이루어져 있으며 5 나노미터 이하의 메조 기공이 다량으로 형성돼 있다.

두 종류의 다공성 금속 산화물 및 그래핀 전극으로 구성된 수계 전해질 기반 하이브리드 에너지 저장 저장 소자의 모식도(좌)와 실제 구동 이미지 및 수명 특성을 나타낸 그래프(우).

이러한 다공성 구조에서는 이온이 물질 표면으로 빠르게 전달되며 작은 입자크기와 넓은 표면적에 의해 짧은 시간 동안 많은 수의 이온이 금속 산화물 입자 내부에 저장된다. 철과 망간, 두 종류의 다공성 금속 산화물을 양극과 음극에 각각 적용해 2V의 넓은 전압 범위에서 작동 가능한 수계 전해질 기반 하이브리드 소자를 구현했다.

이 새로운 개념의 하이브리드 에너지 저장 소자는 기존의 에너지 저장 한계를 극복한 친환경 소자로, 빠른 충전이 필요한 휴대폰, 웨어러블 디바이스 등 다양한 기기를 위한 에너지 저장 소자로써 활용과 다공성 금속 산화물 전극 제조 기술은 여러 가지 금속 산화물에 적용이 가능하여 보다 우수한 성능을 갖는 에너지 저장 전극의 후속 개발을 기대할 수 있으며, 수계 전해질 기반 하이브리드 에너지 저장 소자의 대형화 및 회로 설계를 통해 전기 자동차 등의 중대형 전자기기 분야에도 충분히 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

한편 강원대학교 정형모 교수 연구팀과 공동으로 진행된 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 8월 13일자에 온라인 판에 게재됐다.(논문명:Synthesis of Pseudocapacitive Porous Metal Oxide Nanoclusters Anchored on Graphene for Aqueous Energy Storage Devices with High Energy Density and Long Cycling Stability along with Ultrafast Charging Capability/ 해당 논문 바로가기)

정한영 기자  cys0119@gmail.com

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