[헬로티]

최근 배터리 산업에서 기술의 발전을 증명할 수 있는 키워드 중 하나는 ‘급속충전’이다. 급속충전 기술은 특히 전기차 시장의 발전 가능성을 결정짓는 요소이기도 하기 때문에 2차 전지 기업들은 기술 확보를 위해 애쓰고 있다.

이러한 가운데 KAIST에서 급속충전이 가능한 하이브리드 리튬이온 전지를 개발했다. 수 초에서 수 분의 급속충전이 가능해, 상용화만 된다면 전기차를 비롯해 전기 트램과 스마트 전자기기 등에 활발히 활용될 것으로 보인다.

급속충전은 ‘리튬이온 배터리’ 구조를 그대로 따르면서 기존의 단점을 보완한 기술이다. 이를 알기 위해서는 리튬이온 배터리의 원리를 알 필요가 있다.

리튬이온 배터리는 양극재(리튬산화물)와 음극재(흑연), 전해질, 분리막으로 구성돼 있다. 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하면서 도선으로 전자가 흐르게 되는데, 이때 전기가 발생하는 메커니즘이다. 충전은 리튬이온이 양극에서 음극으로, 방전(에너지 소비)는 음극에서 양극으로 이동하면서 이뤄진다.

전해질은 리튬이온의 이동을 가능케하는 물질이고, 분리막은 양극재와 음극재의 접촉은 차단하면서 미세한 구멍으로 리튬이온만 통과시키는 역할을 한다.

▲리튬이온 배터리 구성 및 전기 발생 원리

하이브리드 리튬이온 전지의 급속충전 원리는?

KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 개발한 ‘하이브리드 리튬이온 전지’는 음극재와 양극재를 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체로 발전시킨 형태다.

리튬이온 배터리는 ‘제2의 반도체’로 불릴만큼 전자 산업에 필수적인 요소로 자리 잡고 있다. 하지만 유계 전해질의 낮은 이온 전도도, 느린 전기화학적 반응 속도, 전극재의 한정성 등의 특성으로 인해 출력 밀도가 낮고, 충전 시간이 길다는 단점을 가지고 있다. 

하이브리드 전지는 이러한 단점이 보완됐다. 먼저 연구팀은 음극재에 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체를 만들었다. 다공성은 2~50nm(나노미터) 크기의 마이크로 기공이 나 있는 것을 말한다.

마이크로 기공은 리튬이온의 침투를 쉽게 하며, 전기 전도도를 향상시킨다. 즉, 에너지 용량이 높아지고, 고율방전(배터리의 용량에 비하여 비교적 높은 전류로 행하는 방전) 특성을 보인다.

양극재는 축전기(Capacitor) 방식을 적용했다. 이 방식은 전압을 주면 분극 과정을 통해 한쪽 전극에는 양이온인 리튬이온이, 반대쪽 전극에는 음이온이 분리·저장되는 형태다. 장점은 저장 속도가 빨라진다는 것이다.

양극재료를 만드는 데는 섬유형 전도성 고분자와 산화 그래핀을 결합하는 구조를 적용했다. 이 결합 구조는 독립적인 산화 그래핀과 비교해 이온을 200% 더 저장할 수 있다. 또한 상용화된 활성탄(activated carbon, AC) 수준의 에너지 저장 특성을 가진다.

연구팀 관계자는 “이 하이브리드 전지는 기존 리튬이온 배터리 수준의 고에너지 밀도와 함께 넓은 구동 전압 범위에서 고출력 특성을 보인다”면서 “태양전지 모듈로 수십 초 내 급속충전이 가능해서 기존에 나와 있는 에너지 저장 시스템의 한계를 개선했다”고 말했다.

▲메소 기공(mesopore)과 마이크로 기공(micropore)이 동시에 존재하는 다공성 구조의 전도성 탄소 구조체 기반의 고용량 음극과 양극 재료의 합성 과정 및 이를 전극으로 제작하여 만든 하이브리드 전지에 대한 저장 메커니즘 모식도.

▲기존 에너지 저장 소자를 상위하는 고에너지·고출력 밀도를 보여주는 라곤 플롯 (Ragone plot)과 태양전지 모듈을 활용한 급속 충전된 소자 특성 구현 사진.