국내 연구진이 그래핀·탄소나노튜브 복합 전극을 활용해 1분 이내 초고속 충전이 가능한 고성능 알루미늄 배터리를 개발하는데 성공했다.
한국에너지기술연구원은 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구진이 목포대학교(유충열 교수), UC 버클리 대학, 하버드 대학과 공동연구를 통해 초고속 충전 가능한 차세대 알루미늄 배터리의 전하저장 메커니즘 및 핵심 성능을 규명하고 이를 통해 그래핀·탄소나노튜브 복합 전극을 이용한 초저가, 초고속 충전, 장기간 사용이 가능한 고성능 알루미늄 배터리 개발에 성공했다.
리튬이온 배터리는 스마트폰과 같은 모바일 기기, 전기자동차에 이르기까지 다양하게 사용되고 있다. 하지만 짧은 수명, 폭발 위험성, 리튬의 희소성에 따른 가격 변동성이 커 리튬이온 배터리의 대안을 찾으려는 노력이 계속되고 있다.
알루미늄은 독성과 폭발 위험성이 없고 재활용 가능하며 지구상에서 3번째로 많은 원소로 가격이 저렴해 수급이 용이하다. 알루미늄을 이용한 이차전지는 알루미늄 이온을 사용해 에너지를 저장하는 최신 기술로 상용 배터리를 대체할 수 있는 안전한 대안으로 주목받고 있다.
이렇게 알루미늄과 같이 새로운 소재가 도입된 차세대 배터리의 경우, 기본적인 전기화학 반응 과정을 이해하는 것이 배터리 성능을 향상시키는데 필수적이다. 하지만 알루미늄 이온 배터리의 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.
연구진은 알루미늄 이온 배터리의 메커니즘을 확인하기 위해 단결정 그래핀 전극의 층 수를 다양하게 변화시킨 온칩-전기화학 셀을 제작해, 몇 층의 그래핀에서 AlCl4-(테트라클로로알루미늄산염) 이온의 인터칼레이션* 반응이 일어나는지 정확한 단계 수를 분석했다.
연구진은 2층(2-layer), 3층(3-layer) 그래핀의 온칩-전기화학 셀에서는 AlCl4-이온의 인터컬레이션 반응이 일어나지 않는 반면에 4층(4-layer) 그래핀 전극 소재부터 인터칼레이션 반응이 일어나는 것을 최초로 증명했다.
또한 알루미늄 이온 배터리의 온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하수송 측정을 통해 전극 내부로의 이온 삽입과정을 부반응 없이 직접 조사할 수 있었으며, 관찰 결과를 기반으로 전극 성능 향상 인자를 도출했다.
이를 바탕으로 연구진은 기존의 열분해 흑연보다 AlCl4- 이온의 인터칼레이션을 용이하게 하는 그래핀·탄소나노튜브 복합체 양극을 디자인했다. 그래핀·탄소나노튜브 복합체 양극은 열분해 흑연에 비해 그래핀의 층간 간격을 이온의 층간삽입이 용이하게 벌려주는 동시에 지나치게 벌어지면서 발생할 수 있는 박리화 현상은 막아줘 구조적 안정성을 확보했다.
연구진이 개발한 그래핀·탄소나노튜브 복합 양극을 활용해 만든 알루미늄 이온 배터리 셀을 성능 평가한 결과, 기존 열분해 흑연보다 60% 향상된 용량을 나타냈다. 또한 전체 이온 확산도가 약 2.5배 증가해 1분 이내의 초고속 충전이 가능하며 1분 30초의 초고속 충전을 4000회 이상 수행해도 약 98%의 용량 유지율로 뛰어난 장수명 특징을 보였다.
에너지연 윤하나 박사는 “그동안 불명확했던 알루미늄 이온 전지의 전하저장 메커니즘을 규명함과 동시에 알루미늄 이온 이차전지가 가질 수 있는 내재적인 성능의 상한범위 확인이 가능했다”며 “이는 실제 벌크 소재를 활용한 배터리 제작 시 성능 개선을 위한 전극 소재적 접근 방안에 대한 중요한 실마리를 제공했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다.
목포대 유충열 교수는 “온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하수송 측정을 통한 인터칼레이션 메커니즘 분석은 전극 내부로의 이온 삽입과정을 부반응 없이 직접 조사할 수 있고 미세한 삽입 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공해 줄 수 있다”며 “추가적인 소재 엔지니어링을 통해 배터리 성능의 획기적인 개선이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
연구진의 뛰어난 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 나노과학기술 분야의 세계적인 학술지인 ‘나노 레터스’에 게재됐다.
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