작성일 : 20-03-14 17:09
장희동 지질자원연 박사 연구팀, 리튬 이온전지 대체?···"경제적 효과 수십 조원 기대"
 글쓴이 : happy
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장희동 한국지질자원연구원 자원활용연구센터 박사. <사진=한국지질자원연구원 제공 >국내 연구진이 리튬 이온전지를 대체할 연구성과를 창출했다. 그래핀 결정구조를 활성화시켜 칼륨(K)과 소듐(Na) 이온전지에 적용한 결과, 리튬 대비 저장 용량이 높고 고속 충·방전이 가능한 결과를 얻어냈다. 이에 따라 향후 리튬 이온 저장장치를 대체할 수 있어 수십조 원 이상의 경제적 효과 창출이 기대된다. 

한국지질자원연구원(원장 김복철)은 장희동 자원활용연구센터 박사 연구팀과 이승우 미국 조지아 공대 교수팀그래핀 결정구조를 활성화시켜 고효율의 안정성을 갖는 칼륨과 소듐 이온 전지용 소재에 적용하는 데 성공했다고 11일 밝혔다. 

그동안 이차전지로 리튬 이온전지가 활용돼 왔다. 리튬 이온은 전력손실이 적고, 무게 대비 에너지 밀도가 높지만, 잘못 사용할 경우 폭발할 위험이 있고 수명이 짧은 한계가 있었다.

이에 리튬 이온전지 대체제로 고효율의 높은 안정성을 갖는 칼륨, 소듐 이온 전지 개발 필요성이 제기되어 왔다. 기존 연구들에선 칼륨, 소듐 이온 전지의 전극 물질로 흑연을 적용한 연구가 수행됐지만, 충·방전 시 속도가 저하돼 장시간 사용 시 효율과 안정성이 낮아지는 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 그래핀 활용 연구도 시도됐지만, 그래핀 시트 간 재적 층 현상으로 인해 우수 물성의 결과물을 얻지 못했다.

활성화된 구겨진 형상의 그래핀(A-CG) 합성과정 모식도. <사진=한국지질자원연구원 제공 >
장 박사 연구팀재적 층이 발생하지 않는 구겨진 종이공 형상의 물성이 좋은 활성 그래핀을 제조해 기존 연구의 한계점을 극복했다.

연구팀은 에어로졸(미세방울) 공정으로 제조된 구겨진 종이공 모양의 그래핀 산화물을 부분 환원하고, 저온 열처리 활성화 과정을 거쳤다. 이후 활성 그래핀을 칼륨과 소듐 이온 전지용 소재에 적용했다. 

연구결과 활성 그래핀을 활용한 이온 전지는 높은 저장 용량, 고속 충·방전과 장시간 안정성 등의 우수한 물성을 나타냈다. 특히 칼륨 이온 전지는 가역 정전 용량이 340 mAhg-1 이었고, 나트륨은 280 mAhg-1 이었으며 8000 사이클 이후에도 높은  안정성을 유지했다

이에 앞서 장 박사 연구팀에어로졸 공정을 이용해 그래핀 적층을 막고, 2차원 그래핀을 종이공 모양의 3차원 그래핀으로 만드는 데 연구 결과를 낸 바 있다. 가습기가 물을 뿜어내는 원리를 이용해 종잇장 형태의 그래핀을 마이크로 단위의 크기인 물방울에 가둔 뒤 물방울에서 수분을 증발시켜 구겨진 종이공 모양의 3차원 그래핀을 얻어내는 기술을 활용했다.

장희동 박사"활성 그래핀을 활용한 칼륨, 소듐 전극 소재가 차세대 이차 전지의 원료 소재로 높은 활용 가능성을 보여줬다"면서 "자원 빈국인 우리나라가 차세대 에너지 저장장치를 선도할 수 있도록 기술 실용화에 최선을 다하겠다"고 강조했다.

김복철 원장"그동안 광물자원 활용 분야의 그래핀 복합체 제조기술 연구의 결정체로 향후 에너지 저장장치에 바로 적용될 수 있는 우수한 연구성과"라고 설명했다. 

연구팀은 기술 실용화와 상용화가 이뤄질 경우 기존 리튬 이온 저장 장치를 대체할 수 있는 수십 조원 이상의 경제적 효과가 창출될 것으로 기대하고 있다. 

이번 연구성과는 에너지 저장 소재 분야에서 권위를 인정받는 저널인 Advanced Energy Materials에 실렸다.