[IT 소식] 하이브리드 소듐 전지 개발…"수 초 만에 급속 충전"

하이브리드 에너지 저장 시스템은 전지용 음극과 축전기용 양극을 결합해 큰 저장 용량과 빠른 충전 및 방전 속도를 구현한다. 게티이미지뱅크

국내 연구팀이 하이브리드 소듐이온(Na+) 전지의 특성을 극대화해 저장 용량이 크고 충전이 빠른 차세대 에너지 저장 장치를 개발했다. 수 초에서 수 분 만에 충전할 수 있어 전기 자동차, 스마트 기기 등에 활용될 것으로 기대된다.

KAIST는 강정구 신소재공학과 교수 연구팀이 기존 리튬이온(Li+) 전지를 대체할 소듐이온(Na+) 전지 특성을 극대화한 고에너지·고출력 하이브리드 소듐이온 전지를 개발해 연구 결과를 지난달 29일 국제학술지 '에너지 스토리지 머터리얼스'에 발표했다고 11일 밝혔다.

소듐(Na)은 기존 전지에 널리 쓰이는 리튬(Li) 대비 지구상에 500배 이상 많아 전지의 재료로 최근 주목받았다. 리튬이온 전지에 비해 출력이 낮고 충전 시간이 길다는 점이 소듐이온 배터리의 근본적 한계였다.

하이브리드 에너지 저장 시스템은 전지용 음극과 축전기용 양극을 결합해 큰 저장 용량과 빠른 충전·방전 속도를 내는 것이 장점이다. 기존 소듐이온 전지의 한계를 극복할 방법으로 꼽힌다. 고성능 하이브리드 전지를 구현하기 위해서는 음극의 에너지 저장 속도와 양극의 에너지 저장 용량을 끌어올리는 것이 숙제였다.

 

하이브리드 소듐이온 에너지 저장 소자에 쓰인 음극과 양극 소재를 합성하는 과정. KAIST 제공

연구팀은 서로 다른 금속-유기 골격체를 활용해 하이브리드 전지에 최적화된 전극 소재를 합성했다. 먼저 이종원소가 도핑된 다공성 탄소 소재에 미세한 나노물질을 포함시킨 음극 소재를 개발했다. 입자의 작은 크기 덕분에 표면적이 넓고 이온 확산이 빨라 에너지 저장 속도가 향상됐다.

연구팀은 이온 확산 채널을 극대화해 저장 용량이 높은 축전지용 양극 소재를 개발하고 이를 음극과 조합했다. 양극 간의 에너지 저장 속도 특성의 차이를 최소화하면서도 용량 균형을 최적화한 소듐이온 에너지 저장 시스템을 구현한 것이다.

성능 측정 결과 하이브리드 소듐이온 에너지 저장 소자는 상용화된 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도, 출력 밀도 모두 뛰어났다. 수 초에서 수 분 만에 급속 충전이 가능했다.

강 교수는 "급속 충전이 가능한 하이브리드 소듐이온 에너지 저장 소자는 현재 에너지 저장 시스템의 한계를 극복할 돌파구가 될 것"이라며 "전기 자동차를 포함해 모든 전자기기로 범위를 확대해 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이병구 기자2bottle9@donga.com

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