하이브리드 신소재로 차세대 고용량 에너지 저장 기술 구현
Nickel Oxide Encapsulated Nitrogen-rich Carbon Hollow Spheres with Multiporosity for High-Performance Pseudocapacitors Having Extremely Robust Cycle Life
국내 연구팀이 “기존보다 에너지 저장 용량이 2.5배(1,150F/g) 높으면서도, 반영구적인 수명(50,000번 이상 충·방전 가능)을 가진 차세대 에너지 저장 소재”를 개발하였다.
이번 연구는 단순한 제조법으로 다공(多空)성의 속이 빈 구형 탄소계 물질을 새로 개발하고 이를 에너지 저장 소재로 사용한 사례로, 현재 이차전지의 저출력과 짧은 수명의 문제점을 획기적으로 개선하여 향후 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 전기 저장 장치를 개발할 수 있을 것으로 예상된다.
이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 “하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(단장 김광호)”의 지원으로 한국과학기술원(KAIST) 강정구 교수팀이 수행하였으며, 연구결과는 에너지 과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘Energy & Environmental Science지(紙) 10월 8일(수) 온라인에 게재되었고 아울러 표지논문으로 선정되었다.
※논문명 : Nickel Oxide Encapsulated Nitrogen-rich Carbon Hollow Spheres with Multiporosity for High-Performance Pseudocapacitors Having Extremely Robust Cycle Life
에너지 저장 소재로 활용되기 위해서는 에너지 저장 용량이 커야하며 긴 수명을 가져야 한다. 그러나 현재 이차전지는 양(+)극 전극으로 사용되는 소재의 특성상 그 한계가 있다.
현재 이차전지의 양극 전극 소재는 탄소를 기반으로 하는 소재와 금속산화물을 기반으로 하는 소재가 있다. 탄소 기반 소재는 전해질의 이온을 이용하여 전자를 저장하기 때문에 빠른 충·방전 속도와 긴 수명을 가지지만 많은 에너지를 저장하지 못하는 단점이 있고, 반대로 물질의 화학반응을 이용하는 금속산화물 기반 소재는 많은 에너지를 저장할 수 있지만 충·방전 속도가 느리고 수명은 짧다.
따라서, 긴 수명과 고출력 특성, 그리고 높은 에너지 저장 용량을 동시에 갖도록 하기 위해서는 기존과 다른 새로운 소재 개발이 필요했다.
이번 연구는 탄소계 물질과 금속산화물의 단점을 보완하고 두 물질의 장점을 높인 고용량·고출력·긴 수명의 에너지 저장 양극전극 소재 제작에 성공한 것이다.
연구진은 금속화합물이 첨가된 탄소계 원료 용액을 바늘을 통해 분사시키면서 동시에 열처리하는 방법(Nozzle Spray Pyrolysis)으로 외형은 수많은 구멍이 뚫려 있는 표면에 속은 비어 있는 구(球) 모양의 탄소계 물질로 구성하고, 그 내부는 금속화합물로 채운 새로운 구조의 하이브리드 소재를 개발했다. 그리고 이를 에너지 저장 소재의 양극 전극으로 사용하여 탄소계 물질의 장점인 긴 수명과 금속계 물질의 장점인 높은 저장 용량을 동시에 구현했다.
연구진은 “이번 성과는 대량생산이 가능한 합성법을 사용하면서도 높은 에너지 저장용량, 고출력, 그리고 긴 수명을 동시에 달성하는 새로운 소재를 개발한 것으로 향후 고용량 에너지 저장 기술의 상용화에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의의를 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
전기화학적 커패시터인 슈퍼커패시터는 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 충전하고 방출 (고출력) 할 수 있는 특성으로 인하여 중요한 에너지저장 장치로 개발되고 사용되어져 왔다.
슈퍼캐패시터 중 상용화로 사용되고 있는 활성화 카본과 같은 탄소를 기반으로 한 슈퍼커패시터는 전기 화학적 이중층에 이온을 머물게 하여 표면적에서의 상호작용을 이용하여 전자를 저장하였으며, 금속산화물을 기반으로 한 슈퍼커패시터는 물질과 이온의 화학적인 반응을 이용하여 전기 에너지를 저장하였다. 하지만 탄소기반의 슈퍼커패시터는 높은 충방전 속도와 긴 수명을 가지는데 반하여 고용량의 에너지를 저장하지 못하는 단점을 가졌으며, 금속산화물 기반의 슈퍼커패시터는 화학적 반응을 이용하여 충방전 속도가 느리고 수명이 짧은 단점을 가지고 있었다. 따라서 탄소기반의 슈퍼커패시터의 장점인 긴 수명과 금속산화물 기반의 슈퍼커패시터의 장점인 고용량을 동시에 구현할 수 있는 소재 개발이 필요하다.
또한, 슈퍼커패시터의 성능을 극대화시키기 위해서는 소재의 비표면적이 넓고 기공을 가지고 있으면 유리한데, 그 이유는 소재의 비표면적이 넓으면 이온이 에너지 저장 소재와 반응할 수 있는 지점이 많아지고 기공을 통해서 이온의 이동이 활발해질 수 있기 때문이다. 그러므로 에너지 저장 소재는 넓은 비표면적과 기공을 가지고 있는 다공성 구조를 가질 필요가 있다.
2. 연구내용
이에 강정구 교수를 필두로 한 연구팀은 Nozzle Spray Pyrolysis 방법을 이용하여 니켈 산화물이 함유된 탄소계 다공성 물질을 제조하였다. 이 방법은 멜라민-포름알데하이드 수지에 니켈 화합물을 첨가시켜서 원료 용액을 만든 후 바늘을 통해 분사시키면서 동시에 높은 온도에서 열처리를 하여 micron 단위의 구형의 물질을 만드는 것이다. 본 방법을 이용하면 실리카 등의 형틀을 이용하지 않고도 속이 빈 다공성 구조를 만들 수 있으므로 공정 비용 및 시간면에서 효율적으로 소재를 만들 수 있다.
본 소재는 탄소계로 이루어져 있으므로 긴 수명을 갖게되며, 나노 미터 크기의 니켈 산화물과 다공성 구조로 인해 높은 에너지 저장 용량을 구현할 수 있었다.
또한 연구팀은 Nozzle Spray Pyrolysis 방법의 공정 온도에 따라 소재의 구조를 제어할 수 있었으며, 소재의 구조에 따라 에너지 저장 용량이 크게 달라지는 것을 밝혀내었다. 이러한 변수의 조절능력을 바탕으로 전기저장에 가장 유리한 구조를 가지는 다공성 구조를 합성하여 공정온도를 최적화시키면 소재의 비표면적이 30배가 늘어나게 되고, 그에 따라 에너지 저장 용량은 250 % 증가하는 것을 보고하였다.
이 소재의 최대 에너지 저장 용량은 1130 F/g이며 수명은 50,000 사이클 이상으로 본 연구팀은 높은 에너지 저장 용량과 긴 수명을 동시에 확보한 새로운 소재를 개발할 수 있었다.
3. 기대효과
이번 성과는 탄소계 물질에 니켈 산화물을 함유시켜서 탄소계 물질의 장점인 긴 수명과 금속 산화물의 장점인 높은 에너지 저장 용량을 동시에 구현할 수 있다는 것을 입증한 사례로, 향후 더 높은 에너지 저장 용량과 영구적인 수명을 가진 다양한 하이브리드 소재의 디자인을 통해서 미래용 전기자동차 및 모바일 디바이스 등 획기적인 에너지 저장 원천소재의 산업에 적용되어 국부창출의 근간이 될 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
. 이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)
Nozzle Spray Pyrolysis 방법을 이용하여 실리카 등의 형틀을 이용하지 않고도 속이 빈 다공성 물질을 만들 수 있었으며, 탄소계의 장점인 긴 수명과 금속 산화물의 장점인 고용량을 동시에 구현할 수 있는 소재인 니켈산화물이 함유된 탄소계 소재를 개발하였다.
. 어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)
본 소재는 전지저장 장치에 사용될 수 있으며 향후 미래용 전기자동차 및 모바일 디바이스 등 초고용량의 에너지 밀도와 빠른 충방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 모든 분야에 응용가능하다.
. 실용화를 위한 과제는?
공정 최적화를 통해 높은 수율의 물질 합성과정과 두꺼운 필름제조를 위한 기술이 필요하다.
. 실용화 가능 시기는?
2년 정도의 대량소재 생산기술 확보와 이를 통한 시스템 제조를 통해서 실용화가 가능성이 있음
. 산업적, 경제적 파급효과는?
따라서 고용량, 고출력, 그리고 긴사이클 특성을 갖는 활용가능한 에너지 저장 시스템 구현 가능하여, 전기저장을 위한 소형전지 (약 46조)와 중대형전지 (약 80조)의 제조를 통해서 산업적, 경제적으로 큰 파급효과를 줄 수 있을 것으로 예측하고 있음
그 림 설 명
