KAIST 연구진이 개발한 ‘하이브리드 에너지 저장 소자’의 구조(왼쪽). 철과 망간 두 종류의 다공성 금속 산화물을 양극과 음극에 각각 적용했다. 이렇게 만든 에너지 저장 소자는 수십 초 안에 충전이 가능하고 3만 번 이상 충·방전 과정을 반복해도 성능이 떨어지지 않고 유지됐다(오른쪽). - KAIST 제공

국내 연구진이 기존 배터리보다 충전 속도가 100배 이상 빠르고 3만 번 반복 충전해도 성능이 유지되는 에너지 저장 소자를 개발했다. 휴대전화를 수십 초 내에 급속 충전하는 것은 물론이고, 30분 이상 소요되는 전기자동차 충전 시간을 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다.

강정구 KAIST 신소재공학과 교수팀은 정형모 강원대 교수팀과 공동으로 다공성 금속 산화물 나노입자와 이차원 물질인 그래핀을 이용해 구동 안정성이 높은 고성능 ‘하이브리드 에너지 저장 소자’를 개발했다고 26일 밝혔다.

가장 흔히 사용되는 리튬이온 배터리는 유기 전해질을 사용하는 만큼 화재 등 안전사고 위험이 있고, 전기화학반응 속도가 느려 충전시간은 길고 수명은 짧다는 한계가 있었다. 반면 수용액 기반의 에너지 저장 소자는 안전하지만, 전압 범위가 제한적이고 용량이 적을 뿐만 아니라 에너지 밀도가 낮아 역시 충전에 오랜 시간일 걸렸다.

이런 문제를 해결하기 위해 연구진은 2~3㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 크기 다공성 금속 산화물 나노입자로 이뤄진 나노 클러스터와 전기적 특성이 우수한 그래핀 복합체를 사용했다. 철과 망간 두 종류의 다공성 금속 산화물을 양극과 음극에 각각 적용해 2V(볼트)의 넓은 전압 범위에서 작동 가능한 소자를 구현한 것이다.

강 교수는 “다공성 구조에서는 이온이 물질 표면으로 빠르게 전달된다. 입자 크기는 작고 표면적은 넓기 때문에 짧은 시간 동안 많은 수의 이온이 금속 산화물 입자 내부에 저장될 수 있다”고 설명했다. 이렇게 만든 에너지 저장 소자는 3만 번 이상 충·방전 과정을 반복해도 성능이 떨어지지 않고 유지됐다.

강 교수는 “높은 에너지 밀도로 급속 충전이 가능하기 때문에 휴대폰, 전기자동차 등의 주전원이나 태양에너지를 전기로 직접 저장해 사용하는 플렉서블 기기에 적용할 수 있을 것”이라고 기대했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스’ 15일자에 게재됐다.

[송경은 기자 kyungeun@donga.com]

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