KAIST는 EEWS 대학원 강정구 교수 연구팀이 급속충전이 가능한 고성능 소듐이온 기반의 하이브리드 전지를 개발했다고 6일 밝혔다.

현재 가장 높은 점유율의 상업용 배터리는 리튬이온 물질 기반의 저장소자로 넓은 전압범위와 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다.

하지만 배터리 발화 및 짧은 수명 문제와 리튬광물의 높은 가격, 느린 전기화학적 반응 속도 등의 한계 때문에 충·방전이 오래 걸리고 고출력 특성을 요구하는 전기 자동차 및 차세대 모바일 기기에 적용하는데는 어려움이 있다.

반면 소듐이온 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 상대적으로 저렴하고 자원의 접근성이 높아 리튬이온을 대체할 수 있는  차세대 에너지 저장소자로 주목받고 있다. 

소듐이온 기반 소자는 성능이 떨어져 응용 분야에서 상용화되기에는 아직 한계가 있다.
  
이에 따라 연구팀은 질소가 올려진 3차원 형태의 메조 다공성 금속산화물 나노 구조체와 질소가 도핑된 그래핀을 결합해 높은 에너지 밀도와 고출력을 갖는 소듐이온 에너지 저장소자를 구현했다.

고성능의 소듐이온 하이브리드 전지 제작을 위해 연구팀은 질소가 도핑된 다공성 금속산화물과 그래핀을 각각 음극과 양극에  적용했다.
  
개발된 메조 다공성의 금속산화물 나노 구조체는 5~10㎚(나노미터) 크기의 나노입자들 사이에 다량의 열린 메조 기공이 형성돼 있고 기공들이 3차원적으로 연결된 구조를 이뤄 질소 도핑 방법을 활용하면 부족한 전기 전도도를 높일 수 있다.

특히 이런 메조 다공성 구조는 전해질이 기공을 통해 전극에 깊은 곳까지 쉽게 침투할 수 있어 전극 물질의 전체적인 표면이 에너지 저장에 활용돼 높은 용량의 에너지 저장이 가능하고 동시에 충·방전 시간도 줄일 수 있다.

이 하이브리드 저장소자는 소듐 기반의 배터리에 비해 같은 수준의 저장용량을 유지하면서 300배 이상 빠른 출력 밀도를 보이고 수십 초 내 급속 충전이 가능해 소형의 휴대용 전자기기 등에 활용 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 재료분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 지난달 27일자로 게재됐다.(논문명: Synthesis of nitrogen-doped mesoporous structures from metal-organic frameworks and their utilization to enable high performances in hybrid sodium-ion energy storages)

강 교수는 "소듐 기반이기 때문에 저가 제작이 가능하고 활용성이 뛰어나 기존보다 높은 에너지 밀도를 갖는 고효율의 저장장치 상용화에 기여할 것"이라며 "저전력 충전 시스템을 통해 급속 충전이 가능, 전기자동차와 휴대 가능한 전자 기기에 적용할 수 있을 것으로 본다"고 말했다.

충청비즈  thecm11@naver.com

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