​수 분내 충전되는 전기차 배터리, KAIST 연구팀이 개발

고분자 수지 배향 변화를 통해 형성된 다공성 탄소 중공 구조체 기반의 양극, 음극 재료의 합성과정 모식도[사진=KAIST]

KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능의 급속 충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 리튬 이온 전지를 개발했다고 21일 밝혔다.

연구팀은 고분자 수지 배향의 변화를 통해 넓은 표면적의 다공성 탄소 중공 구조체를 합성했고, 이를 기반으로 하는 음극·양극 소재를 개발해 고성능 하이브리드 리튬 이온 전지를 구현했다. 

현재 리튬이온 배터리는 대표적인 상용화 에너지 저장 장치로, 스마트폰부터 전기차까지 다양한 분야에 쓰인다. 하지만 느린 전기화학적 반응 속도, 낮은 출력 밀도, 긴 충전 시간, 음극 ·양극 비대칭성에 따른 큰 부피 등의 근본적인 한계로 인해 고성능 전극 재료 및 차세대 에너지 저장 소자의 개발이 필요하다.

하이브리드 전지는 기존 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있으나, 고에너지·고출력 하이브리드 전지 구현을 위해서 기술적 장벽이 많다.

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강 교수 연구팀은 고분자 수지의 배향 변화를 통해 넓은 표면적을 가진 다공성 탄소 구조체를 합성하고, 이를 기반으로 음극·양극 소재를 개발해 고에너지·고출력의 하이브리드 리튬이온 전지를 구현했다.

기존 선형 구조의 수지로 생성된 탄소 구조체보다 12배 넓은 표면적을 가졌으며, 이를 축전기용 양극 재료로 사용할 경우 이온이 표면에 더 빠르게 흡착된다. 이러한 방식으로 구현된 하이브리드 리튬 이온 전지는 기존 전지와 비슷한 수준의 밀도를 갖췄으며, 특히 수 초에서 수 분내 급속충전이 가능해 전기차, 드론, 스마트 전자기기 등에 적용 가능할 것으로 예상된다.

해당 연구결과는 KAIST 신소재공학과 김기환 박사과정이 제1 저자로 참여해 국제 학술지 'ACS 나노'에 4월 4일 게재됐다.

강 교수는 "급속 충전이 가능한 하이브리드 리튬 이온 전지는 현 에너지 저장 시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것"이라며 "전기 자동차를 포함한 모든 전자기기의 활용 범위를 확대해 적용될 전망"이라고 말했다.