연구팀이 개발한 초고속 충전 가능한 알루미늄 이온 배터리 파우치 셀을 들고 있는 모습. [한국에너지기술연구원 제공]
단 1분만에 초고속 충전이 가능한 배터리가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국에너지기술연구원 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구진은 목포대학교,UC버클리 대학, 하버드 대학 공동연구를 통해 초고속 충전 가능한 차세대 알루미늄 배터리의 전하저장 메커니즘 및 핵심 성능을 규명했다고25일 밝혔다. 연구진은 이를 통해 그래핀탄소나노튜브 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. 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 제작, 몇 층의 그래핀에서AlCl4-(테트라클로로알루미늄산염) 이온의 인터칼레이션 반응이 일어나는지 정확한 단계 수를 분석했다.
인터칼레이션이란 층상구조가 있는 물질의 층간에 원자, 이온이 삽입되는 현상으로, 전지 작동의 핵심원리를 말한다.
연구진은 2층, 3층 그래핀의 온칩-전기화학 셀에서는AlCl4-이온의 인터컬레이션 반응이 일어나지 않는 반면에 4층 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 흑연보다AlCl4-이온의 인터칼레이션을 용이하게 하는 그래핀탄소나노튜브 복합체 양극을 디자인했다. 그래핀탄소나노튜브 복합체 양극은 열분해 흑연에 비해 그래핀의 층간 간격을 이온의 층간삽입이 용이하게 벌려주는 동시에 지나치게 벌어지면서 발생할 수 있는 박리화 현상은 막아줘 구조적 안정성을 확보했다.
초고속 충전 가능한 알루미늄 이온 배터리 파우치 셀의 전기화학 특성 평가를 진행하는 모습.[한국에너지기술연구원 제공]
그래핀탄소나노튜브 복합 양극을 활용해 만든 알루미늄 이온 배터리 셀을 성능 평가한 결과, 기존 열분해 흑연보다60% 향상된 용량을 나타냈다. 또한 전체 이온 확산도가 약2.5배 증가해 1분 이내의 초고속 충전이 가능하며, 1분30초의 초고속 충전을4000회 이상 수행해도 약98%의 용량 유지율로 뛰어난 장수명 특징을 보였다.
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”라고 말했다.
