활성화된 구겨진 형상의 그래핀 합성과정 모식도.[한국지질자원연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀을 칼륨‧나트륨 이온 전지용 소재로 적용한 응용기술이 세계 최초로 개발됐다.

한국지질자원연구원은 자원활용연구센터 장희동 박사 연구팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀이 구겨진 종이공 모양의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리 활성화 과정을 통해 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 소재에 적용하는데 성공했다고 11일 밝혔다.

기존 리튬 이온 전지의 대체재로 고효율의 높은 안정성을 갖고 있는 칼륨‧나트륨 이온 전지 개발이 요구되고 있다. 특히 2차원 구조 나노소재로서 강도, 열전도율, 전기전도도 등에 있어 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재인 그래핀이 새로운 전극 물질로서 주목 받고 있기에 이번 연구 성과가 의미하는 바가 크다고 할 수 있다.

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

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

기존 연구들에서는 칼륨‧나트륨 이온 전지의 전극 물질로 흑연을 적용했지만 충‧방전시 속도가 저하돼 장시간 사용 시 효율과 안정성이 낮아지는 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 그래핀을 사용한 연구가 시도됐으나 그래핀 시트 간의 재적층 현상 2차원 구조의 그래핀들이 서로 붙어 다시 적층돼 우수한 특성을 잃어버리는 문제점이 발생했다.

이러한 점에 착안해 재적층이 발생하지 않는 구겨진 종이공 형상의 물성이 좋은 활성 그래핀을 제조해 기존 연구의 한계점을 극복했다.

이번 연구 결과는 차세대 에너지 저장 장치의 전극소재로서 칼륨‧나트륨 이온 전지의 실질적 활용 가치를 증명했다는 점에서 큰 의미가 있다. 향후 기술 실용화와 상용화가 이뤄질 경우 기존 리튬 이온 저장 장치를 대체 할 수 있는 수십 조 원 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 보여주었다는 점에서 가치가 있다”며 “자원빈국인 우리나라가 차세대 에너지저장장치를 선도할 수 있도록 기술 실용화에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 에너지 저장소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com