1분 급속 충전 에너지 저장 소자 개발

1분 급속 충전 에너지 저장 소자 개발

● 1분만에 휴대폰 완충, '끝판왕 배터리' 기술 개발

한국과학기술원(KAIST) EEWS 대학원 신소재 공학과 강정구 교수, 강원대학교 정형모 교수로 이뤄진 공동 연구팀이 다공성 금속 산화물 나노 입자와 그래핀을 이용해 고성능. 고안정성을 갖는 물 기반 (철. 망간) 하이브리드 에너지 저장 소자를 개발했다고 2018년 08월 26일 밝혔다. 연구진에 따르면, 이 하이브리드 소자는 기존 배터리에 비해 100배 이상 빠른 출력 밀도를 보이며, 수십 초 내로 급속 충전이 가능하다. 앞으로 소형 휴대용 전자기기 등에 활용될 수 있을 전망이다.

 

리튬 이온 배터리를 비롯한 기존 유계 에너지 저장 소자는 넓은 전압 범위와 높은 에너지 밀도를 갖지만, 유기 전해질의 사용에 따른 화재 등의 안전 문제가 뒤따른다. 또한 전기 화학적 반응 속도가 느리기 때문에 소자를 충전하는데 긴 시간이 필요하고 사이클이 짧다는 한계가 있다.

 

이에 반해, 수계 전해질 기반 에너지 저장 소자는 안전하고, 친환경적 소자로써 주목받고 있다. 하지만, 제한된 전압 범위와 낮은 용량으로 인해 유계 기반 소자에 비해 에너지 밀도가 낮은 단점을 가지고 있다. 연구팀은 금속 산화물과 그래핀을 결합한 뒤, 수계 기반 전해질을 사용해 높은 에너지 밀도, 고출력, 우수한 사이클 특성을 갖는 에너지 저장 전극을 개발했다.

 

이번 연구에서 개발한 다공성의 금속 산화물 나노 입자는 2-3 나노미터 크기의 나노 클러스터로 이뤄져 있으며, 5 나노미터 이하의 메조 기공이 다량으로 형성돼 있다. 이러한 다공성 구조에서는 이온이 물질 표면으로 빠르게 전달되며, 작은 입자 크기와 넓은 표면적에 의해 짧은 시간 동안 많은 수의 이온이 금속 산화물 입자 내부에 저장된다. 연구팀은 철과 망간, 두 종류의 다공성 금속 산화물을 양극과 음극에 각각 적용해 2V의 넓은 전압 범위에서 작동 가능한 수계 전해질 기반 하이브리드 소자를 구현했다.

 

강정구 교수는 “다공성의 금속 산화물 전극이 가진 기존 기술 이상의 고용량, 고출력 특성은 새로운 개념의 에너지 저장 장치의 상용화에 기여할 것”이라며, “수십 초 내의 급속 충전이 가능하기 때문에 휴대폰, 전기차 등의 주전원이나 태양 에너지를 전기로 직접 저장해 플렉서블(휘는) 기기에 적용될 수 있을 것이다”고 말했다. 이번 연구 성과는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 온라인판 최신호에 게재됐다.