상단여백
HOME 과학기술 과학기술
20초내 완충 가능한 소듐이온 기반 하이브리드 전지 개발KAIST 국내 특허 등록..."상용화 위해선 추가 연구 필요"
소듐 이온 하이브리드 저장 장치의 성능과 태양광 모듈을 활용한 실제 구동 이미지. <자료 KAIST 제공>

[취재]10~20초 내 완충이 가능한 하이브리드 전지가 개발됐다.

6일 KAIST(총장 신성철)는 EEWS 대학원 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능으로 급속 충전이 가능한 소듐 이온 기반의 하이브리드 전지를 개발했다고 밝혔다.

다만, 상용화는 필드 영역이라고 덧붙였다. 장치 성능은 구현되었지만, 공정이나 원가 부분 등은 실제 엔지니어가 필드 부분에서 해결해야 할 일이라는 것.

단독 1저자로 이름을 올린 KAIST EEWS대학원 이규헌 연구원(박사취득 예정)은 “국내 특허를 등록하고, 미국 특허는 현재 출원한 상태”라며 “향후 상용화는 관련 기업과 협력을 통해 풀어나갈 수 있을 것으로 본다”고 언급했다.

이 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐다(1월 27일 자)

논문 제목은 ‘Synthesis of nitrogen-doped mesoporous structures from metal-organic frameworks and their utilization to enable high performances in hybrid sodium-ion energy storages’다.

연구팀은 질소가 올려진 메조 다공성 금속산화물 기반 전극을 이용해 높은 에너지 밀도와 고출력을 갖는 소듐 이온 에너지 저장 소자를 구현했다.

이 기술은 현재 주로 사용되는 리튬 이온 배터리보다 경제성 및 접근성 등에서 우수성을 가져 급속 충전이 필요한 휴대용 전자기기 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

◇충방전 오래 걸리는 리튬이온 한계 극복 가능

현재 가장 높은 점유율의 상업용 배터리는 리튬 이온 물질 기반의 저장 소자로 넓은 전압 범위와 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다.

그러나 배터리 발화 및 짧은 수명 등의 문제와 리튬 광물의 높은 가격, 부족한 희토류 원소 매장량, 느린 전기화학적 반응 속도 등의 한계 때문에 충·방전이 오래 걸리고 고출력 특성을 요구하는 전기 자동차 및 차세대 모바일 기기에 적용하기 위해 많은 개선이 필요하다.

반면 소듐 이온 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 상대적으로 매우 저렴하고 자원의 접근성이 높아 리튬 이온을 대체하면서 기존의 문제점을 극복할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 주목받고 있다.

하지만 현재까지는 응용 분야에서 요구하는 성능에 미치지 못해 활용 폭이 좁다. 특히 기존의 금속산화물은 전기 전도성이 낮고 비표면적이 좁아 많은 양의 이온이 접근하는 데 한계가 있어 고성능을 구현하기에 어려움이 있었다.

질소가 도핑된 메조 다공성 금속산화물 나노 구조체 음극과 질소 도핑된 그래핀 양극의 합성 원리 및 소듐 이온 하이브리드 에너지 저장 장치의 구성 및 저장 메커니즘을 나타낸 모식도.

◇출력밀도 리튬 이온대비 300배 성능

연구팀은 질소가 도핑된 3차원 형태의 열린 메조 다공성 금속산화물 나노 구조체와 질소 도핑된 그래핀을 결합해 소듐 이온 기반 시스템에서 고용량과 고출력의 에너지 저장장치를 개발했다.

이번 연구에서 개발한 메조 다공성의 금속산화물 나노 구조체는 5~10나노미터 크기의 나노 입자들 사이에 다량의 열린 메조 기공이 형성돼 있고, 기공들이 나노 입자 사이에 3차원적으로 연결된 구조를 이뤄 질소 도핑 방법을 활용해 부족한 전기 전도도를 높일 수 있다.

이러한 메조 다공성 구조는 전해질이 기공을 통해 전극에 깊은 곳까지 수월한 침투가 가능하므로 전극 물질의 전체적인 표면이 에너지 저장에 활용돼, 높은 용량의 에너지 저장이 가능함과 동시에 충·방전 시간 역시 줄일 수 있다.

연구팀은 질소가 도핑된 다공성 금속산화물과 그래핀을 각각 음극과 양극에 각각 적용해 고성능의 소듐 이온 하이브리드 전지를 구현했다.

이 하이브리드 저장 소자는 소듐 기반의 배터리에 비해 같은 수준의 저장용량을 유지하면서 300배 이상 빠른 출력 밀도를 보였다.

10~20초 내 급속 충전이 가능해 소형의 휴대용 전자기기 등에 활용 가능할 것으로 기대된다.

강정구 교수는 “소듐 기반이기 때문에 저가 제작이 가능하고 활용성이 뛰어나 기존보다 높은 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장장치의 상용화에 기여할 것”이라며 “저전력 충전 시스템을 통해 급속 충전이 가능해 전기자동차와 휴대 가능한 전자 기기에 적용할 수 있을 것”으로 전망했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단의 지원을 받아 수행됐다.

박희범 기자  snews@s-news.kr

<저작권자 © ScienceNews, 무단 전재 및 재배포 금지>

#KAIST#소듐기반 하이브리드전지#리튬이온#이규헌 박사#강정구 교수#신성철 교수#이드밴스트 사이언스#충방전#메조 다공성 금속산화물#과학기술정보통신부#글로벌프론티어사업#하이브리드인터페이스기반#미래소재연구단

박희범 기자의 다른기사 보기
icon인기기사
기사 댓글 0
전체보기
첫번째 댓글을 남겨주세요.
여백
여백
여백
Back to Top