에너지연구원, 1분이내 초고속 충전가능한 알루미늄 배터리 개발

목포대, 미국과 공동연구로 알루미늄 배터리 전하저장 메커니즘 규명

초저가·초고속 충전·장기간 사용 가능한 고성능 배터리

웨어러블, 전기자동차, ESS 등 다양한 적용 가능…국제학술지에 게재

[대전=뉴시스] 초고속으로 충전이 가능한 알루미늄 이온 배터리 파우치 셀. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 1분 이내 초고속 충전이 가능한 고성능 알루미늄 배터리를 개발했다.

한국에너지기술연구원은 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구진이 목포대학교, UC 버클리대학, 하버드대학과 공동연구를 통해 초고속 충전이 가능한 차세대 알루미늄 배터리의 전하저장 메커니즘 및 핵심 성능을 규명했다고 25일 밝혔다.

또 공동연구진은 이를 통해 그래핀/탄소나노튜브 복합 전극을 이용한 초저가, 초고속 충전, 장기간 사용이 가능한 고성능 알루미늄 배터리 개발에 성공했다.

알루미늄은 독성과 폭발 위험성이 없고 재활용 가능하며 지구상에서 3번째로 많은 원소로 가격이 저렴해 수급이 용이하다.

이로써 알루미늄을 이용한 이차전지는 알루미늄 이온을 사용해 에너지를 저장하는 최신 기술로 상용 배터리를 대체할 수 있는 대안으로 주목받고 있으나 아직 알루미늄 이온 배터리의 메커니즘은 명확하게 밝혀지지 않았다.

[대전=뉴시스] 에너지연구원이 공동연구를 통해 개발한 초고속 충전 가능한 알루미늄 이온 배터리의 전기화학 특성 분석표. *재판매 및 DB 금지

연구진은 알루미늄 이온 배터리의 메커니즘을 확인키 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.

인터칼레이션(Intercaltion)은 층상구조가 있는 물질의 층간에 원자, 이온이 삽입되는 현상으로 전지 작동의 핵심원리다.

이를 통해 연구진은 2층(2-layer), 3층(3-layer) 그래핀의 온칩-전기화학 셀에서는 AlCl4- 이온의 인터칼레이션 반응이 일어나지 않는 반면에 4층(4-layer) 그래핀 전극 소재부터 인터칼레이션 반응이 일어나는 것을 최초로 증명했다.

 또 알루미늄 이온 배터리의 온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하수송 측정을 통해 전극 내부로의 이온 삽입과정을 부반응 없이 직접 조사하고 전극 성능 향상 인자를 도출해 냈다.

이어 연구진은 기존 열분해 흑연보다 AlCl4- 이온의 인터칼레이션을 용이하게 하는 그래핀/탄소나노튜브 복합체 양극을 디자인하고 그래핀/탄소나노튜브 복합체 양극의 박리화 현상을 막아 구조적 안정성을 확보했다.

[대전=뉴시스] 아래줄 가운데부터 시계방향으로 윤하나 책임연구원, 이영아 학생연구원,  계산과학연구실 임강훈 선임연구원, 이찬우 책임연구원, 목포대학교 화학과 유충열 교수. *재판매 및 DB 금지

연구진이 개발한 그래핀/탄소나노튜브 복합 양극을 활용해 만든 알루미늄 이온 배터리 셀은 성능 평가 결과, 기존 열분해 흑연보다 60% 향상된 용량을 나타냈다.

특히 전체 이온 확산도가 약 2.5배 증가해 1분 이내의 초고속 충전이 가능하고 1분 30초의 초고속 충전을 4000회 이상 수행해도 약 98%의 용량 유지율로 뛰어난 장수명 특징을 보였다.

이번 기술은 기존 리튬이온배터리의 단점을 보완하고 IT 모바일 디바이스, 웨어러블 디바이스, 전기자동차, ESS 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.

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 삽입과정에 대한 새로운 통찰력을 제공해 줄 수 있다"며 "추가적인 소재 엔지니어링을 통해 배터리 성능의 획기적인 개선이 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구결과는 미국화학회에서 발행하는 나노과학기술 분야의 세계적인 학술지인 '나노 레터스(Nano Letters, IF 11.189)'에 최근 게재됐다(논문명:Chloroaluminate Anion Intercalation in Graphene and Graphite: From Two-Dimensional Devices to Aluminum-Ion Batteries)

에너지연 윤하나 박사는 "불명확했던 알루미늄 이온 전지의 전하저장 메커니즘을 규명하고 알루미늄 이온 이차전지가 가질 수 있는 내재적인 성능의 상한범위를 확인했다"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.


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