'소듐 이온 기반의 하이브리드 전지' 개발
'소듐 이온 기반의 하이브리드 전지' 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.14 08:25
  • 조회수 438
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요약

 

급속 충전이 가능한 소듐이온 하이브리드 전지가 개발됐습니다. 소듐 이온 기반 에너지 저장소자에 적용될 수 있는 질소 도핑된 메조 다공성의 금속 산화물 나노 구조체와 질소 도핑된 그래핀을 이용했는데요. 그 결과 고성능, 고출력의 에너지 저장장치를 구현할 수 있었습니다. 이는 향후 리튬 이온 배터리의 문제점을 해결할 수 있는 대체 에너지 저장 시스템으로, 미래 에너지 저장 장치 시장을 선도할 수 있는 핵심 기술이 될 것으로 기대됩니다. 

KAIST EEWS 대학원 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능으로 급속 충전이 가능한 소듐 이온 기반의 하이브리드 전지를 개발했습니다. 연구팀은 질소가 올려진 메조 다공성 금속산화물 기반 전극을 이용해 높은 에너지 밀도와 고출력을 갖는 소듐 이온 에너지 저장 소자를 구현했습니다. 이 기술은 현재 주로 사용되는 리튬 이온 배터리보다 경제성 및 접근성 등에서 우수성을 가져 급속 충전이 필요한 휴대용 전자기기 등에 적용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이번 연구 결과는 <Advanced Science>에 게재됐습니다.

충전 더 빨라지나. 출처: AdobeStock
충전 더 빨라지나. 출처: AdobeStock

'리튬'은 지고 '소듐' 이온 기반 에너지 저장소자 뜬다

 

현재 가장 높은 점유율의 상업용 배터리는 리튬 이온 물질 기반의 저장 소자로 넓은 전압 범위와 에너지 밀도가 높다는 장점이 있습니다. 그러나 배터리 발화 및 짧은 수명 등의 문제와 리튬 광물의 높은 가격, 부족한 희토류 원소 매장량, 느린 전기화학적 반응 속도 등의 한계가 존재했습니다. 이 때문에 충·방전이 오래 걸리고 고출력 특성을 요구하는 전기 자동차 및 차세대 모바일 기기에 적용하기 위해 많은 개선이 필요한 실정이었습니다. 

 

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 있습니다. 

 

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

 

메조 다공성 구조가 핵심

 

연구팀은 질소가 도핑된 3차원 형태의 열린 메조 다공성 금속산화물 나노 구조체와 질소 도핑된 그래핀을 결합해 소듐 이온 기반 시스템에서 고용량과 고출력의 에너지 저장장치를 개발했습니다. 이번 연구에서 개발한 메조 다공성의 금속산화물 나노 구조체는 5~10나노미터 크기의 나노 입자들 사이에 다량의 열린 메조 기공이 형성돼 있는데요. 기공들이 나노 입자 사이에 3차원적으로 연결된 구조를 이뤄 질소 도핑 방법을 활용해 부족한 전기 전도도를 높일 수 있었습니다.

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. 출: KAIST
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. 출처: KAIST

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

소듐 이온 하이브리드 저장 장치의 성능과 태양광 모듈을 활용한 실제 구동 이미지. 출처: KAIST
소듐 이온 하이브리드 저장 장치의 성능과 태양광 모듈을 활용한 실제 구동 이미지. 출처: KAIST

이 하이브리드 저장 소자는 소듐 기반의 배터리에 비해 같은 수준의 저장 용량을 유지하면서 300배 이상 빠른 출력 밀도를 보였는데요. 수십 초 내 급속 충전이 가능해 소형의 휴대용 전자기기 등에 활용 가능할 것으로 기대됩니다.

강정구 교수. 출처: KAIST
강정구 교수. 출처: KAIST

 

 

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"이라고 말했다.

 

 

 

 

 

 


 

##참고자료##

 


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