강정구 KAIST 교수팀 개발
높은 저장 용량·빠른 충전 가능
전기차, 스마트 전자기기 등 시장성 기대
하이브리드 소듐 이온 전지 모식도와 기존 에너지 저장 소자를 상회하는 에너지 출력 밀도 비교 그래프. ⓒKAIST
한국과학기술원(KAIST)은 강정구 신소재공학과교수 연구팀이 우수한 성능의 급속 충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 소듐 이온 전지를 개발했다고 11일 밝혔다.
최근 활발하게 연구가 진행되고 있는 하이브리드 에너지 저장 시스템은 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합해 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도를 모두 지닐 수 있는 장점을 가지고 있다.
이는 기존 소듐 이온 배터리의 한계를 극복해 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다.
하지만 고에너지 및 고출력 밀도의 하이브리드 전지를 구현하기 위해서 배터리용 음극의 상대적으로 느린 에너지 저장 속도를 향상해야 하는 동시에 음극에 비해 상대적으로 낮은 용량을 갖는 축전기용 양극재의 에너지 저장 용량을 끌어 올려야 한다.
강 교수 연구팀은 두 가지 서로 다른 금속-유기 골격체를 활용해 하이브리드 전지에 최적화된 전극 소재의 합성법을 제시했다.
먼저 금속-유기 골격체에서 기인한 다공성 탄소 소재에 미세한 활물질을 함유해 속도 특성이 향상된 음극 소재를 개발했다.
고용량 양극 소재를 합성했고, 이를 조합해 양극 간의 에너지 저장 속도 특성의 차이를 최소화하면서도 용량 균형을 최적화한 소듐 이온 에너지 저장 시스템을 개발했다.
연구팀은 개발된 음극과 양극을 완전셀로 구성해 고성능 하이브리드 소듐이온 에너지 저장 소자를 구현했다. 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 기존 상용화된 리튬이온 배터리를 뛰어넘는 에너지 밀도와 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 지녔다고 확인했다.
KAIST는 차세대 에너지 저장 장치로 수 초에서 수 분 만에 급속 충전이 가능해 전기 자동차, 스마트 전자기기, 항공 장치 등에 적용할 수 있을 것으로 내다봤다.
강 교수는 “전극 기준으로 높은 에너지 밀도(247Wh/kg)를 가지며, 고출력 밀도(3만 4748W/kg)에 의한 급속 충전이 가능한 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 현 에너지 저장시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것ˮ이라며 “전기 자동차를 포함한 모든 전자기기의 활용 범위를 확대해 적용할 수 있을 것이다ˮ라고 설명했다.
최종휘 KAIST 신소재공학과 박사과정과 김동원 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 저장 소재 분야의 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼스(Energy Storage Materials)’에 지난달 29일 게재됐다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노와 소재기술개발사업 미래기술연구실의 지원을 받아 수행됐다.
