국내 연구진이 그래핀/탄소나노튜브 복합전극을 활용해 1분 이내 초고속 충전이 가능한 고성능 알루미늄 배터리를 개발했다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구진은 목포대, 미국 UC 버클리대, 하버드대와의 공동연구를 통해 초고속 충전이 가능한 차세대 알루미늄 배터리의 전하저장 메커니즘 및 핵심성능을 규명하고, 이를 통해 그래핀/탄소나노튜브 복합전극을 이용한 초저가, 초고속 충전, 장기간 사용이 가능한 고성능 알루미늄 배터리 개발에 성공했다.

연구진은 기존의 열분해 흑연보다 테트라클로로알루미늄산염 이온의 인터칼레이션을 용이하게 하는 그래핀/탄소나노튜브 복합체 양극을 디자인했는데 그래핀/탄소나노튜브 복합체 양극은 열분해 흑연에 비해 그래핀의 층간 간격을 이온의 층간삽입이 용이하게 벌려주는 동시에 지나치게 벌어지면서 발생할 수 있는 박리화 현상은 막아줘 구조적 안정성을 확보했다.

연구진이 개발한 그래핀/탄소나노튜브 복합양극을 활용해 만든 알루미늄 이온 배터리 셀을 성능 평가한 결과 기존의 열분해 흑연보다 60% 향상된 용량을 나타냈으며, 전체 이온 확산도가 약 2.5배 증가해 1분 이내 초고속 충전이 가능하며, 1분30초의 초고속 충전을 4,000회 이상 수행해도 약 98%의 용량 유지율로 탁월한 장수명 특징을 보였다.

연구를 수행한 윤하나 박사는 “그동안 불명확했던 알루미늄 이온전지의 전하저장 메커니즘을 규명함과 동시에 알루미늄 이온 이차전지가 가질 수 있는 내재적인 성능의 상한범위 확인이 가능했다.”며, “이는 실제 벌크 소재를 활용한 배터리 제작 시 성능개선을 위한 전극 소재적 접근방안에 대한 중요한 실마리를 제공했다는 점에서 큰 의미가 있다.”고 밝혔다.

또 유충열 목포대 교수는 “온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하수송 측정을 통한 인터칼레이션 메커니즘 분석은 전극 내부로의 이온 삽입과정을 부반응 없이 직접 조사할 수 있으며, 미세한 삽입 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공해 줄 수 있다.”며, “추가적인 소재 엔지니어링을 통해 배터리 성능의 획기적인 개선이 가능할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.