KAIST 급속충전 가능한 하이브리드 에너지 저장소자 개발

기존 배터리보다 100이상 빠른 출력 밀도
수십 초 내로 급속 충전 가능해 활용 기대

KAIST EESW대학원 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 다공성 금속 산화물 나노입자와 그래핀을 이용해 고성능, 고안정성을 갖는 물 기반 하이브리드 에너지 저장 소자를 개발했다.

이 하이브리드 소자는 기존 배터리보다 100배 이상 빠른 출력 밀도를 보이며 수십 초 내로 급속 충전이 가능해 소형의 휴대용 전자기기 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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. 또 전기화학적 반응 속도가 느려 소자를 충전하는데 긴 시간이 필요하고 사이클이 짧다는 한계가 있다.

이에 반해 수계 전해질 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적 소자로 주목받고 있다. 하지만 제한된 전압 범위와 낮은 용량으로 인해 유계기반 소자보다 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 2~3나노미터 크기의 나노 클러스터로 이루어져 있고 5나노미터 이하의 메조 기공이 다량으로 형성돼 있다.

이러한 다공성 구조에서는 이온이 물질 표면으로 빠르게 전달돼 작은 입자크기와 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.

강 교수는 “다공성의 금속 산화물 전극이 가진 기존 기술 이상의 고용량, 고출력 특성은 새로운 개념의 에너지 저장장치의 상용화에 기여할 것”이라며 “수십 초 내의 급속 충전이 가능하기 때문에 휴대폰, 전기자동차 등의 주전원이나 태양에너지를 전기로 직접 저장해 플렉서블 기기에 적용될 수 있다”고 전망했다.
이해미 기자 ham7239@