에너지연, 1분이내 충전 고성능 알루미늄 이온 배터리 개발

에너지기술연구원 연구진이 초고속 충전이 가능한 알루미늄 이온 배터리 파우치 셀을 들고 있는 모습(에너지연 제공) © 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 국내 연구진이 그래핀·탄소나노튜브 복합 전극을 활용해 1분 이내 초고속 충전이 가능한 고성능 알루미늄 배터리를 개발했다.

25일 한국에너지기술연구원에 따르면 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구진은 목포대 등과 공동 연구를 통해 초고속 충전 가능한 차세대 알루미늄 배터리의 전하저장 메커니즘 및 핵심 성능을 규명했다.

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.

알루미늄을 이용한 이차전지는 알루미늄 이온을 사용해 에너지를 저장하는 최신 기술로 상용 배터리를 대체할 수 있는 안전한 대안으로 주목받고 있다.

하지만 알루미늄 이온 배터리의 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 이에 연구진은 단결정 그래핀 전극의 층수를 다양하게 변화시킨 온칩-전기화학 셀을 제작했다.

이어 몇 층의 그래핀에서 AlCl4-(테트라클로로알루미늄산염)이온의 인터칼레이션(층상 구조가 있는 물질의 층간에 원자, 이온이 삽입되는 현상) 반응이 일어나는지 정확한 단계 수를 분석했다.

연구진은 2~3층 그래핀의 온칩-전기화학 셀에서는 AlCl4- 이온의 인터컬레이션 반응이 일어나지 않는 반면 4층(4-layer) 그래핀 전극 소재부터 인터칼레이션 반응이 일어나는 것을 처음으로 증명했다.

또 알루미늄 이온 배터리의 온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하수송 측정을 통해 전극 내부로의 이온 삽입 과정을 부반응 없이 직접 조사할 수 있었으며, 관찰 결과를 기반으로 전극 성능 향상 인자를 도출했다.

실제 연구진이 개발한 알루미늄 이온 배터리 셀을 성능 평가한 결과 기존 열분해 흑연보다 60% 향상된 용량을 나타냈다.

또 전체 이온 확산도가 약 2.5배 증가해 1분 이내의 초고속 충전이 가능하며, 1분30초의 초고속 충전을 4000회 이상 수행해도 약 98%의 용량 유지율을 보였다.

한편 이번 연구성과는 나노과학기술 분야의 세계적인 학술지인 ‘나노 레터스’ 에 최근 게재됐다.

km5030@news1.kr