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[IT 만평] 국내 연구진, '1분 만에 고속 충전' 알루미늄 배터리 개발 성공
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등록일 : 2022-05-27 오후 7:21:00
한국에너지기술연구원이 1분 이내 충전할 수 있는 알루미늄 배터리 기술을 개발했다.
한국에너지기술연구원 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구팀은 그래핀과 탄소나노튜브 복합전극을 활용해 차세대 알루미늄 배터리의 전하 저장 메커니즘 및 핵심 성능을 규명했다고 5월 25일 밝혔다. 1분 이내에 초고속 충전이 가능한 기술로, 목포대학교 유충열 교수와 캘리포니아 주립 버클리대학, 하버드 대학 등과 공동연구로 진행됐다.
알루미늄 이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 우수한 사이클 수명, 뛰어난 안전성으로 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 전지로 주목받는 장치다. 리튬과 비교해 알루미늄 매장량이 훨씬 풍부해 제조 원가가 낮고, 독성 및 폭발 위험이 적다. 재활용이 가능하다는 점도 강점이다.
그러나 알루미늄 이온 배터리의 작동 메커니즘이 완벽히 규명되지 않아 효율적인 알루미늄 이온 배터리를 만드는 데에는 한계가 있었다. 리튬 이온 배터리가 불안정함에도 사회에서 널리 사용되는 이유로는 두 배터리 간 효율 차이가 매우 컸기 때문이다.
연구진은 단결정 그래핀 전극 계층 수를 다르게 설정한 온칩-전기화학 셀을 통해 알루미늄 이온 배터리에서 인터칼레이션(Intercaltion)이 정확히 어떤 계층에서 발생하는지 확인하고, 실시간 전하 수송 측정을 통해 전극 내부 이온 삽입과정을 직접 조사하고 전극 성능 향상 인자를 도출해냈다.
여기에 기존 열분해 흑연보다 인터칼레이션을 용이하게 유도하는 그래핀-탄소나노튜브 복합체 양극 디자인에 성공해 기존 알루미늄 이온 배터리보다 전력 용량이 60% 크고 전체 이온 확산도가 2.5배 증가한 배터리를 구현했다. 1분 30초에 달하는 초고속 충전을 4천 회 이상 수행해도 용량 중 98%가 보존되는 수명도 갖췄다.
실험실에서 특수 제작한 설비와 자재를 활용해 구현한 성능인 만큼 대량생산과 실용화를 위해서는 거쳐야 할 단계가 많이 남았지만, 이론적인 틀을 구축하고 실증에 성공한 이상 가장 어려운 부분이 해결된 셈이다.
윤하나 박사는 "알루미늄 이온 전지 전하 저장 메커니즘을 규명함과 동시에 알루미늄 이온 이차전지가 가질 수 있는 내재적 성능의 상한범위 확인이 가능했다"라며, "실제 벌크 소재를 활용한 배터리를 제작할 때 성능 개선을 위한 전극 소재적 접근 방안에 대한 중요한 실마리를 제공했다"라고 말했다.
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