이차전지(리튬이온) 소재와 슈퍼커패시터 소재의 장점만을 조합한 하이브리드 에너지 저장기술을 개발, 기존 이차전지보다 높은 에너지밀도를 가지고 약 100배 빠른 급속충전이 가능한 차세대 하이브리드 에너지 저장 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

이번 연구는 미래창조과학부가 세계 최고 원천기술 확보를 위해 추진하는 글로벌프런티어사업(하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단, 단장 김광호)의 지원으로 KAIST 강정구 교수팀이 이룬 연구성과로 에너지재료분야의 세계적 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’紙 9월 23일 온라인판으로 게재됐으며 VIP논문으로도 추천됐다.

기존의 대표적인 전기에너지 저장장치인 리튬이온 전지는 에너지 저장밀도(약 185Wh/㎏ 수준)가 높은 반면에 충전·출력 특성(200W/㎏)이 낮고 슈퍼커패시터는 충전·출력 특성(20㎾/㎏)이 좋은 반면 에너지 저장밀도가 낮은 단점이 있어 전기자동차와 같이 대용량·고출력이 필요한 전지로서는 한계가 있어 이를 극복하기 위한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되고 있다

연구팀은 기존의 전기에너지 저장장치인 리튬이온 전지와 슈퍼커패시터에 동시에 적용이 가능한 전극물질로 음이온과 양이온이 쉽게 전해질과 내부공간을 통과할 수 있는 메조기공 채널을 포함한 다공성 나노튜브를 개발하고 이를 바탕으로 리튬이온 전지와 슈퍼커패시터의 서로 다른 에너지저장 원리를 융합해 새로운 형태의 에너지 저장 장치를 개발했다.

이를 통해 연구팀이 개발한 하이브리드 에너지 저장장치 기술은 기존 리튬이온 전지와 비교하면 에너지저장 밀도는 1.5배 수준인 275Wh/㎏을 달성했으며 충전·출력 특성은 23㎾/㎏로 리튬이온 전지의 100배를 초과했다.

이러한 새로운 하이브리드 에너지저장 장치는 기존 이차전지보다 높은 용량을 가짐과 동시에 슈퍼커패시터에 상응하는 고속 충방전 성능을 가지기 때문에 에너지저장 밀도(~200Wh/㎏)에 도달하는데 걸리는 충방전 시간을 약 30초 정도로 단축하는 것이 가능하며, 최대 출력 시 20초 만에 약 130Wh/㎏의 에너지저장 밀도를 달성하는 것이 가능하다.

김광호 하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단 사업단장은 “이번 연구로 고용량의 에너지저장 밀도와 기존 연구에서 볼 수 없었던 우수한 입출력 특성을 갖는 급속충전이 가능한 원천소재로를 개발했다”며 “미래용 전기자동차 및 모바일 디바이스 등의 에너지저장 장치로 활용되는 미래핵심기술이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 “이번 연구 결실을 바탕으로 향후에는 상용화를 위한 대량 생산이 가능한 공정 최적화 관련 추가연구를 진행해 기술이전 또는 연구자의 벤처창업을 추진할 계획”이라고 밝혔다.