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[TECH NEWS] 고용량·반영구 차세대 에너지 저장 소재 개발

하이브리드 신소재로 차세대 고용량 에너지 저장 기술 구현

[TECH NEWS] 고용량·반영구 차세대 에너지 저장 소재 개발
니켈산화물이 함유된 속이 빈 탄소계 다공성 물질의 높은 에너지 저장 용량 및 긴 수명


[산업일보]
국내 연구팀이 “기존보다 에너지 저장 용량이 2.5배(1,150F/g) 높으면서도, 반영구적인 수명(50,000번 이상 충·방전 가능)을 가진 차세대 에너지 저장 소재”를 개발했다.
이번 연구는 단순한 제조법으로 다공(多空)성의 속이 빈 구형 탄소 계 물질을 새로 개발하고 이를 에너지 저장 소재로 사용한 사례로, 현재 이차전지의 저출력과 짧은 수명의 문제점을 획기적으로 개선해 향후 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 전기 저장 장치를 개발할 수 있을 것으로 예상된다.
이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘하이브리드 인터페이스기반 미래소재연구단(단장 김광호)’의 지원으로 한국과학기술원(KAIST) 강정구 교수팀이 수행했으며, 연구결과는 에너지 과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’지(紙) 온라인에 게재됐고 아울러 표지논문으로 선정됐다.
에너지 저장 소재로 활용되기 위해서는 에너지 저장 용량이 커야하며 긴 수명을 가져야 한다. 그러나 현재 이차전지는 양(+)극 전극으로 사용되는 소재의 특성상 그 한계가 있다.
현재 이차전지의 양극 전극 소재는 탄소를 기반으로 하는 소재와 금속산화물을 기반으로 하는 소재가 있다. 탄소 기반 소재는 전해질의 이온을 이용해 전자를 저장하기 때문에 빠른 충·방전 속도와 긴 수명을 가지지만 많은 에너지를 저장하지 못하는 단점이 있고, 반대로 물질의 화학반응을 이용하는 금속산화물 기반 소재는 많은 에너지를 저장할 수 있지만 충·방전 속도가 느리고 수명은 짧다.
따라서, 긴 수명과 고출력 특성, 그리고 높은 에너지 저장 용량을 동시에 갖도록 하기 위해서는 기존과 다른 새로운 소재 개발이 필요했다.
이에 강정구 교수를 필두로 한 연구팀은 Nozzle Spray Pyrolysis 방법을 이용해 니켈 산화물이 함유된 탄소계 다공성 물질을 제조했다. 이 방법은 멜라민-포름알데하이드 수지에 니켈 화합물을 첨가시켜서 원료 용액을 만든 후 바늘을 통해 분사시키면서 동시에 높은 온도에서 열처리를 해 micron 단위의 구형의 물질을 만드는 것이다. 이 방법을 이용하면 실리카 등의 형틀을 이용하지 않고도 속이 빈 다공성 구조를 만들 수 있으므로 공정비용 및 시간 면에서 효율적으로 소재를 만들 수 있다. 이 소재는 탄소계로 이루어져 있으므로 긴 수명을 갖게 되며, 나노미터 크기의 니켈 산화물과 다공성 구조로 인해 높은 에너지 저장 용량을 구현할 수 있었다.
또한 연구팀은 Nozzle Spray Pyrolysis 방법의 공정 온도에 따라 소재의 구조를 제어할 수 있었으며, 소재의 구조에 따라 에너지 저장 용량이 크게 달라지는 것을 밝혀냈다. 이러한 변수의 조절능력을 바탕으로 전기저장에 가장 유리한 구조를 가지는 다공성 구조를 합성해 공정온도를 최적화시키면 소재의 비표면적이 30배가 늘어나게 되고, 그에 따라 에너지 저장 용량은 250% 증가하는 것을 보고했다. 이 소재의 최대 에너지 저장 용량은 1130 F/g이며 수명은 50,000 사이클 이상으로 이 연구팀은 높은 에너지 저장 용량과 긴 수명을 동시에 확보한 새로운 소재를 개발할 수 있었다.
연구진은 “이번 성과는 대량생산이 가능한 합성법을 사용하면서도 높은 에너지 저장용량, 고출력, 그리고 긴 수명을 동시에 달성하는 새로운 소재를 개발한 것으로 향후 고용량 에너지 저장 기술의 상용화에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의의를 밝혔다.
홍보영 기자 papersong@kidd.co.kr

산업1부 홍보영 기자입니다. 국내외 무역과 로봇, IoT, 기계·금형산업에 대한 참 소리를 전합니다.^^

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