[뉴스웍스=문병도 기자] ‘꿈의 신소재’라 불리는 그래핀을 칼륨과 나트륨 이온 전지용 소재로 적용한 응용기술이 세계 최초로 개발됐다.

장희동 한국지질자원연구원(KIGAM) 박사 연구팀과 이승우 미국 조지아공대 교수팀은 에어로졸 공정으로 제조된 구겨진 종이공 모양의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리 활성화 과정을 통해 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 소재에 적용하는데 성공했다.

현재 널리 활용되고 있는 이차 전지인 리튬 이온 전지의 대체재로 고효율의 높은 안정성을 갖고 있는 칼륨 및 나트륨 이온전지의 개발이 요구되고 있다.  2차원 구조 나노소재로서 강도, 열전도율, 전기전도도 등에 있어 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재인 그래핀이 새로운 전극 물질로서 주목 받고 있다.

장희동 박사 연구팀은 구조·화학적으로 안정한 구겨진 종이공 형상의 그래핀 결정 구조를 조절·활성화시켜 칼륨 및 나트륨 이온 전지용으로 적용했다.

활성 그래핀을 사용한 이온 전지는 높은 저장 용량, 고속 충방전 및 장시간 안정성 등의 우수한 물성을 나타냈다.

이번 연구의 활성 그래핀은 에어로졸 공정으로 제조된  구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리를 통해 활성화시킨 것으로 세계 최초로 시도된 것이다.

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.

칼륨 이온 전지는 가역 정전 용량이 340 mAhg-1 이었고, 나트륨은 280 mAhg-1 이었으며 8000 사이클 이후에도 높은 안정성을 유지했다. 

연구팀에서는 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 이온 전지의 실질적 활용 가치를 증명했다는 점에서 큰 의의를 두고 있다. 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”고 말하며, “자원빈국인 우리나라가 차세대 에너지저장장치를 선도할 수 있도록 기술 실용화에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 에너지 저장소재 분야 세계 최고 저널인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈에 실렸다.