"소듐 매장량 리튬보다 500배" KAIST '고출력 소듐이온전지' 개발

전기차, 항공모빌, 전자기기 등 적용 가능
하이브리드 에너지저장시스템 활용 기대

현용 이차전지의 핵심 소재인 리튬보다 매장량이 500배 많은 소듐을 활용한 베터리 기술을 국내 연구진이 개발했다.

KAIST는 신소재공학과 강정구 교수팀이 급속충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 소듐이온전지를 개발했다고 11일 밝혔다.

(왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 강정구 교수, 최종휘 박사과정, 김동원 박사과정. KAIST

최근 연구가 활발한 하이브리드 에너지저장시스템은 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합, 높은 저장용량과 빠른 충전방전 속도를 갖는 장점이 있다.

소듐이온베터리는 낮은 에너지밀도, 긴 충전시간 등의 단점을 극복하면 리튬이온배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지저장장치로 높은 가능성을 지녔다.

하지만 고에너지, 고출력 하이브리드 전지를 구현하려면 배터리용 음극의 느린 에너지 저장속도를 높이면서 동시에 음극보다 낮은 용량을 갖는 양극재 에너지 저장용량을 올려야 한다.

연구팀은 두 가지 서로 다른 금속-유기 골격체로 하이브리드 전지에 최적화된 전극소재 합성법을 제시했다. 

우선 연구팀은 금속-유기 골격체에서 기인한 다공성 탄소소재에 미세한 활물질을 함유해 속도특성이 향상된 음극소재를 개발했다. 

금속-유기 골격체에서 기인한 이종 원소가 도핑된 다공성 탄소 구조체 기반의 음극(FS/C/G)과 양극(ZDPC) 재료 합성과정 모식도. KAIST

또 고용량 양극소재를 합성하고 이를 조합해 양극 간 에너지 저장속도 특성 차이를 최소화하면서도 용량균형을 최적화한 소듐이온에너지 저장시스템을 개발했다.

이어 개발한 음극과 양극을 완전셀로 구성, 고성능 하이브리드 소듐이온에너지 저장소자를 구현했다. 

연구팀이 개발한 하이브리드 소듐이온에너지 저장소자는 기존 상용 리튬이온배터리를 뛰어넘는 에너지 밀도와 축전기 출력밀도 특성을 모두 가진 것이 특징이다.

하이브리드 소듐이온전지 모식도와 기존 에너지 저장소자를 상회하는 에너지·출력 밀도 비교 그래프. KAIST

이를 발전시키면 수 초~수 분 급속충전이 가능해 전기자동차, 스마트전자기기, 항공장치 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

강 교수는 "높은 에너지밀도로 고출력 급속충전이 가능한 하이브리드 소듐이온에너지 저장소자는 현재 에너지 저장시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것"이라며 "전기차를 포함한 모든 전자기기로 활용 범위를 확대 적용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 최종휘 박사과정과 김동원 박사과정이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 '에너지 스토리지 머터리얼스' 3월 29일자에 게재됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com