KAIST, 수 초만에 '급속충전' 소듐전지 개발

이종 원소가 도핑된 다공성탄소 구조체 기반 음극 및 양극재 합성 과정 모식도

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 강정구 신소재공학과 교수팀이 급속 충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 소듐 이온 전지를 개발했다고 11일 밝혔다.

최근 활발하게 연구되는 하이브리드 에너지저장시스템은 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합해 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도를 모두 지닌다. 기존 소듐 이온 배터리 한계를 극복해 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지저장장치로 주목받는다.

하지만 고에너지 및 고출력 밀도 하이브리드 전지를 구현하려면 배터리용 음극의 상대적으로 느린 에너지 저장 속도를 향상해야 하고, 음극 대비 용량이 낮은 축전기용 양극재 에너지 저장 용량도 끌어 올려야 한다.

이에 연구팀은 두 가지 서로 다른 금속-유기 골격체를 활용해 하이브리드 전지에 최적화된 전극 소재 합성법을 제시했다.

금속-유기 골격체에서 기인한 다공성 탄소 소재에 미세한 활물질을 함유해 속도 특성이 향상된 음극 소재를 개발했다.

하이브리드 소듐 이온 전지 모식도와 기존 에너지저장 소자를 상회하는 에너지출력 밀도 비교 그래프

고용량 양극 소재를 합성했고, 이를 조합해 양극 간 에너지 저장 속도 특성 차이를 최소화하면서도 용량 균형을 최적화한 소듐 이온 에너지저장시스템을 개발했다.

개발 음극·양극을 완전셀로 구성해 고성능 하이브리드 소듐이온 에너지 저장 소자를 구현했다. 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 기존 상용화된 리튬이온 배터리를 뛰어넘는 에너지 밀도와 축전기 출력 밀도 특성을 모두 가짐을 확인했다.

또 차세대 에너지저장장치로 수 초에서 수 분 만에 급속 충전이 가능해 전기자동차, 스마트 전자기기, 항공 장치 등에 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

강 교수는 “전극 기준으로 높은 에너지 밀도(247Wh/㎏)를 가지며, 고출력 밀도(3만4748 W/㎏)에 의한 급속 충전이 가능한 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 현 에너지저장시스템 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것”이라며 “전기차를 포함한 모든 전자기기로 활용 범위를 확대해 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.

최종휘·김동원 KAIST 신소재공학과 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 스토리지 머터리얼스에 3월 29일자 게재됐다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실의 지원을 받아 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com