KAIST 강정구 교수 연구팀…소형 전자 기기 등에 활용 기대

[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST EEWS 대학원 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능으로 급속 충전이 가능한 소듐 이온 기반의 하이브리드 전지를 개발했다.

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

그러나 배터리 발화와 짧은 수명 등의 문제, 리튬 광물의 높은 가격, 부족한 희토류 원소 매장량, 느린 전기 화학적 반응 속도 등의 한계 때문에 충·방전이 오래 걸리고 고출력 특성을 요구하는 전기 자동차와 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 금속 산화물은 전기 전도성이 낮고, 비표면적이 좁아 많은 양의 이온이 접근하는 데 한계가 있어 고성능을 구현하기에 어려움이 있었다.

연구팀은 질소가 도핑된 3차원 형태의 열린 메조 다공성 금속 산화물 나노 구조체와 질소 도핑된 그래핀을 결합해 소듐 이온 기반 시스템에서 고용량과 고출력의 에너지 저장 장치를 개발했다.

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

이런 메조 다공성 구조는 전해질이 기공을 통해 전극에 깊은 곳까지 수월한 침투가 가능해 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 저장 용량을 유지하면서 300배 이상 빠른 출력 밀도를 보이며, 수십 초 내 급속 충전이 가능해 소형의 휴대용 전자 기기 등에 활용 가능할 것으로 기대되고 있다.

강 교수 연구팀의 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science) 1월 27일 자에 게재됐다.

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