1분 이내 충전되는 알루미늄 배터리 개발

에너지연 "알루미늄 배터리의 전하저장 메커니즘 및 핵심 성능 규명"

국내 연구진이 그래핀과 탄소나노튜브 복합전극을 활용, 1분 이내 초고속 충전이 가능한 알루미늄 배터리를 개발했다. 수급이 불안정하고 폭발 위험이 높은 리튬을 대체할 배터리 기술로 주목된다. 

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구팀이 목포대학교 유충열 교수, 캘리포니아주립 버클리대학 및 하버드대학)과 공동연구를 통해 초고속 충전 가능한 차세대 알루미늄 배터리의 전하저장 메커니즘 및 핵심 성능을 규명했다고 25일 밝혔다. 

이를 바탕으로 그래핀·탄소나노튜브 복합전극을 활용, 초고속 충전과 장기 사용이 가능한 저가의 알루미늄 배터리 개발에 성공했다.

공동 연구팀이 개발한 초고속 충전 가능한 알루미늄 이온 배터리 파우치 셀을 들고 있는 모습 (자료=에너지연)

알루미늄과 같이 새로운 소재를 도입해 성능을 높이려면 기본적인 전기화학 반응 과정의 이해가 필수다. 하지만 알루미늄 이온 배터리의 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.

연구진은 알루미늄 이온 배터리의 작동 과정을 확인하기 위해 단결정 그래핀 전극의 층 수를 다양하게 변화시킨 온칩-전기화학 셀을 제작, 몇 층의 그래핀에서 테트라클로로알루미늄산염(AlCl4-) 이온의 인터칼레이션 반응이 일어나는지 분석했다. 인터칼레이션(Intercaltion)은 층상 구조가 있는 물질의 층간에 원자나 이온이 삽입되는 현상으로, 전지 작동의 핵심 원리다.

연구진은 2층과 3층 그래핀의 온칩-전기화학 셀에서는 AlCl4- 이온의 인터컬레이션 반응이 일어나지 않고, 4층 그래핀 전극 소재부터 인터칼레이션 반응이 일어나는 것을 최초로 증명했다. 또 알루미늄 이온 배터리의 온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하수송 측정을 통해 전극 내부로 이온이 삽입되는 과정을 조사하고, 이를 토대로 전극 성능 향상 인자를 도출했다.

이를 바탕으로 연구진은 기존의 열분해 흑연보다 AlCl4- 이온의 인터칼레이션을 용이하게 하는 그래핀·탄소나노튜브 복합체 양극을 디자인했다. 이렇게 만든 알루미늄 이온 배터리 셀은 기존 열분해 흑연보다 용량이 60% 커졌다. 전체 이온 확산도는 약 2.5배 증가해 1분 이내 초고속 충전이 가능했다. 1분 30초의 초고속 충전을 4천 회 이상 수행해도 약 98%의 용량을 유지했다. 

윤하나 박사는 "알루미늄 이온 전지의 전하저장 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.

이번 연구는 에너지연 기본사업과 국제공동연구 프로그램, 산림청 산림과학기술개발사업, 농림축산식품부의 기획평가원 지원사업, 과학기술정보통신부 기본연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 학술지 '나노레터스(Nano Letters)'에 게재됐다.