새로운 에너지 저장 하이브리드 소재의 개념도(미래창조과학부 제공). © News1

기존보다 에너지 저장 용량이 2.5배 높으면서 최대 5만번 이상 충전이 가능한 반영구적 수명을 가진 차세대 에너지 저장소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 미래창조과학부는 강정구 카이스트 교수팀이 글로벌프런티어사업의 지원을 받아 수행한 연구에서 이 같은 결과를 얻었다고 6일 밝혔다.

이번 연구는 단순한 제조법으로 다공(多空)성의 속이 빈 구형 탄소계물질을 새로 개발하고 이를 에너지 저장소재로 사용한 사례로, 현재 이차전지의 저출력과 짧은 수명의 문제점을 획기적으로 개선해 높은 저장용량에 반영구적 수명을 가진 전기 저장장치를 개발할 수 있을 것으로 예상된다.에너지 저장소재를 개발하기 위해서는 에너지 저장 용량이 크고 긴 수명을 가져야 한다. 하지만 현재의 2차전지는 양극(+) 전극으로 사용되는 소재의 특성상 한계가 있었다. 

현재 양극 전극으로 사용되는 소재는 탄소 기반과 금속산화물 기반 등이 있다. 이 중에서 탄소 기반 소재는 전해질의 이온을 이용해 전자를 저장하기 때문에 빠른 충·방전 속도와 긴 수명을 갖지만 많은 에너지를 저장하지 못하는 단점이 있다. 반대로 물질의 화학반응을 이용하는 금속산화물 기반 소재는 많은 에너지를 저장할 수 있지만 충·방전 속도가 느리고 수명은 짧다.

연구진은 이 같은 탄소계 물질과 금속산화물의 단점을 보완하고 두 물질의 장점을 높인 고용량·고출력에 긴 수명의 에너지 저장 양극전극 소재 제작에 성공했다. 우선 금속화합물이 첨가된 탄소계 원료 용액을 바늘을 통해 분사시키면서 동시에 열처리하는 방법으로 외형적으로는 수많은 구멍이 뚫려 있는 표면에 속은 비어있는 구 모양의 탄소계 물질을 구성했다. 구 모양의 내부는 금속화합물로 채워 새로운 구조의 하이브리드 소재를 개발했다. 이를 에너지 저장소재의 양극 전극으로 사용해 높은 저장 용량과 긴 수명을 동시에 구현한 것이다. 연구를 주도한 강정구 교수는 "이번 성과는 대량생산이 가능한 합성법을 사용하면서도 높은 에너지 저장용량과 고출력, 그리고 긴 수명을 동시에 달성하는 새로운 소재를 개발한 것"이라며 "향후 고용량 에너지 저장 기술의 상용화에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다. 

이번 연구결과는 에너지 과학분야의 세계적 학술지인 'Energy & Environmental Science'지 온라인판으로 지난달 8일자에 게재됐다.

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