차세대 하이브리드 에너지 저장기술 개발

신일영 기자
입력 2016.11.01 00:00

기존 이차전지보다 100배 급속 충전 가능

미래창조과학부(장관 최양희)가 이차전지(리튬이온) 소재와 슈퍼커패시터 소재의 장점만을 조합한 하이브리드 에너지 저장기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 기존 이차전지보다 에너지밀도가 높고, 약 100배 빠른 급속충전이 가능하다. 이번 연구는 미래창조과학부가 세계 최고 원천기술 확보를 위해 추진하는 글로벌프런티어사업(하이브리드 인터페이스기반 미래소재연구단)의 지원으로 KAIST 강정구 교수팀이 수행했다. 이번 연구는 에너지재료분야의 권위지 ‘Advanced Energy Materials’ 9월 23일 온라인판에 논문명(Synthesis of Nitrogen-Rich Nanotubes with Internal Compartments Having Open Mesoporous Channels and Utilization to Hybrid Full-Cell Capacitors Enabling High Energy and Power Densities over Robust Cycle Life)으로 게재되고, VIP논문으로 추천됐다.

리튬이온 전지와 슈퍼커패시터원리 융합

저장밀도 1.5배, 충전·출력 특성 100배 향상

기존의 대표적인 전기에너지 저장장치인 리튬이온 전지는 에너지 저장밀도(약 185Wh/kg 수준)가 높은 반면 충전·출력 특성(200W/kg)이 낮고, 슈퍼커패시터는 충전·출력 특성(20kW/kg)이 좋은 반면 에너지 저장밀도가 낮아 단점으로 지적됐다. 따라서 전기자동차와 같이 대용량·고출력이 필요한 전지로는 한계가 있어 이를 극복하기 위한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 강정구 교수팀은 기존의 전기에너지 저장장치인 리튬이온 전지와 슈퍼커패시터에 동시에 적용할 수 있는 전극물질로 음이온과 양이온이 쉽게 전해질과 내부공간을 통과할 수 있는 메조기공 채널을 포함한 다공성 나노튜브를 개발하고, 이를 바탕으로 리튬이온 전지와 슈퍼커패시터의 서로 다른 에너지 저장원리를 융합하여 새로운 형태의 에너지 저장장치를 개발했다.

이를 통해 개발한 하이브리드 에너지 저장장치 기술은 기존 리튬이온 전지와 비교하면 에너지 저장밀도는 1.5배 수준인 275Wh/kg을 달성했고, 충전·출력 특성은 23kW/kg로 리튬이온 전지의 100배를 초과 했다.

새로운 하이브리드 에너지 저장장치는 기존 이차전지보다 높은 용량을 가짐과 동시에 슈퍼커패시터에 상응하는 고속 충방전 성능을 가지기 때문에 에너지저장 밀도(~200Wh/kg)에 도달하는데 걸리는 시간을 약 30초 정도로 단축하는 것이 가능하다. 따라서 최대 출력 시 20초 만에 약 130Wh/kg의 에너지 저장밀도를 달성할 수 있다.

하이브리드 인터페이스기반 미래소재연구단 김광호 사업단장은 “이번 연구로 고용량 에너지 저장밀도와 기존 연구에서 볼 수 없었던 우수한 입출력 특성을 갖는 급속충전이 가능한 원천 소재로를 개발했다”며, “미래용 전기자동차 및 모바일 디바이스 등의 에너지 저장장치로 활용되는 미래핵심기술이 될 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다. 아울러, “이 연구결과를 바탕으로 향후에는 상용화를 위한 대량생산이 가능한 공정최적화 관련 추가연구를 진행하여 기술이전, 또는 연구자의 벤처창업을 추진할 계획”이라고 밝혔다.

[그림 1] 같은 구조체로부터 파생된 서로 다른 두 기능의 전극이 조화되어 고성능의 에너지 저장장치를 구현하는 개념도

강정구 교수

전기 자동차 분야로 적용 기대

연구팀이 개발한 하이브리드 커패시터 및 전극 재료는 기존의 리튬이온전지를 대체할 수 있는 에너지 저장장치로, 특히 높은 에너지 저장용량과 강한 출력을 동시에 요구하는 전기자동차 분야로의 적용이 기대된다. 본 연구팀이 개발한 전극 재료는 설계시 반영한 대로 하이브리드 커패시터에 적용하기에 최적의 형태로 합성되었으며, 이에 하이브리드 커패시터 개발의 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀이 후속 연구로 본 연구의 대량생산에 성공한다면, 가혹한 요구조건의 전기자동차 분야에도 새로운 해결책으로서 충분히 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

[그림 2] 하이브리드 에너지 저장장치의 에너지 밀도와 출력 밀도 특성을 보여주는 그래프.

에너지 밀도(세로 축)는 고용량 리튬 이차전지 수준을 달성함과 더불어 출력특성(가로 축)은 슈퍼커패시터 수준을 계속 유지함. 실험적인 규모의 성능(●)과 실제 상용 가능할 정도의 규모의 성능(○)이 크게 차이를 보이지 않음.

용어설명

1. 이차전지(secondary cell)

외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 장치를 말하며, 여러번 충전할 수 있다는 뜻으로 충전식 전지(rechargeable battery)라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차전지로는 납축전지, 니켈-카드뮴전지(NiCd), 니켈수소축전지(NiMH), 리튬이온전지(Li-ion), 리튬이온 폴리머전지(Li-ion polymer)가 있다.

2. 커패시터(capacitor)

전기 회로에서 전기 용량을 전기적 퍼텐셜 에너지를 저장하는 장치이다. 내부는 두 도체판이 떨어져 있는 구조로 되어있고, 사이에는 보통 절연체가 들어간다. 각 판의 표면과 절연체의 경계 부분에 전하가 비축되고, 양 표면에 모이는 전하량의 크기는 같지만 부호는 반대이다. 즉, 두 도체판 사이에 전압을 걸면 음극에는 (-)전하가, 양극에는 (+)전하가 유도되는데, 이로 인해 전기적 인력이 발생하게 된다. 이 인력에 의해 전하들이 모여 있게 되므로 에너지가 저장된다.

3. 메조기공 수~수십 nm 크기의 기공