지질자원硏, 종이공 형상 그래핀을 칼륨‧나트륨 이온전지로 적용
효율성과 안정성 우수…기존 리튬이온 저장장치 대체 효과 기대

[에너지신문] 국내 연구팀이 세계 최초로 그래핀(Graphene)을 칼륨‧나트륨 이온 전지용 소재로 적용한 응용기술을 개발했다.

▲ 활성화된 구겨진 형상의 그래핀(A-CG) 합성과정 모식도.
▲ 활성화된 구겨진 형상의 그래핀(A-CG) 합성과정 모식도.

한국지질자원연구원(원장 김복철)은 11일 장희동 박사 연구팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀이 에어로졸 공정으로 제조된 구겨진 종이공 모양의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리 활성화 과정을 통해 칼륨과 나트륨 이온 전지용 소재에 적용하는데 성공했다고 밝혔다.

현재 널리 활용되고 있는 2차전지인 리튬이온 전지의 대체재로 고효율의 높은 안정성을 갖고 있는 칼륨 및 나트륨 이온전지의 개발이 요구되고 있다.

특히 그리핀은 2차원 구조 나노소재로서 강도, 열전도율, 전기전도도 등에 있어 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재이자 새로운 전극 물질로서 주목받고 있어 이번 연구 성과의 의미가 크다고 할 수 있다.

장희동 박사 연구팀은 구조‧화학적으로 안정한 구겨진 종이공 형상의 그래핀 결정 구조를 조절, 활성화시켜 칼륨 및 나트륨 이온전지용으로 적용했다. 활성 그래핀을 사용한 이온전지는 높은 저장 용량, 고속 충방전 및 장시간 안정성 등의 우수한 물성을 나타냈다.

특히, 이번 연구의 활성 그래핀은 세계 최초로 에어로졸 공정으로 제조된 구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리를 통해 활성화시켰다.

연구팀은 제조된 활성 그래핀의 전기화학 특성 평가 후 밀도함수 이론 분석을 수행했고, 그 결과 적용된 기술이 칼륨 및 나트륨 이온전지로 모두 매우 우수한 물성을 나타내고 있음을 확인했다.

연구 결과, 칼륨 이온전지는 가역 정전 용량이 340mAhg-1이었고, 나트륨은 280mAhg-1이었으며 8000사이클 이후에도 높은 안정성을 유지한 것으로 나타났다.
 
기존 연구에서는 칼륨 및 나트륨 이온전지의 전극 물질로 흑연을 적용했지만 충‧방전시 그 속도가 저하돼 장시간 사용 시 효율성과 안정성이 낮아지는 문제점이 있었다.  

이러한 문제를 해결코자 그래핀을 사용한 연구가 시도됐지만 그래핀 시트 간의 재적층 현상으로 인해 우수한 물성의 결과물을 얻지 못했고, 연구팀은 재적층이 발생하지 않는 구겨진 종이공 형상의 물성이 좋은 활성 그래핀을 제조해 기존 연구의 한계점을 극복했다.

연구팀은 이번 연구 결과가 차세대 에너지 저장 장치의 전극 소재로서, 칼륨 및 나트륨 이온전지의 실질적 활용 가치를 증명했다는 점에서 큰 의의를 두고 있다. 더불어 향후 상용화가 이뤄질 경우 기존 리튬이온 저장장치를 대체할 수 있는 수십조원 이상의 경제적 효과가 창출될 것으로 기대하고 있다.

장희동 박사는 “이번 연구 결과는 활성 그래핀을 활용한 칼륨 및 나트륨 전극 소재가 차세대 이차 전지의 원료 소재로 높은 활용 가능성을 보여줬다는 점에서 가치가 있다”면서 “자원빈국인 우리나라가 차세대 에너지저장장치를 선도할 수 있도록 기술 실용화에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.

김복철 한국지질자원연구원 원장은 “이번 연구는 그동안 광물자원 활용분야의 그래핀 복합체 제조기술 연구의 결정체로 향후 에너지저장장치에 바로 적용될 수 있는 우수한 연구성과다”고 강조하며 “이번 연구결과를 실용화하고 상용화해 국가와 국민이 유용하게 활용할 수 있는 연구 성과 창출을 위해 모든 연구자가 노력하겠다”고 말했다.

한편 장희동 박사팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀과의 공동 연구를 통해 얻어진 이번 연구 성과는 에너지 저장소재 분야 세계 최고 저널인 Advanced Energy Materials(IF 24.884)에 실렸다.   

저작권자 © 에너지신문 무단전재 및 재배포 금지