소듐 하이브리드 전지 개발.. 수십초 내 충전

소듐 이온 하이브리드 저장 장치의 성능과 태양광 모듈을 활용한 실제 구동 이미지

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 리튬 이온 전지를 대체할 소듐 이온 전지를 개발했다. 이 전지는 리튬 전지보다 저렴하며 화재 발생 위험은 적고 충전 속도는 빨라, 차세대 배터리로 각광 받을 것으로 예상된다.

KAIST는 강정구 EEWS 대학원 교수의 연구팀이 소듐 이온 기반의 하이브리드 전지를 개발했다고 6일 밝혔다. 연구팀의 이번 연구 결과는 리튬 이온 전지의 단점을 대부분 극복한 차세대 전지를 개발했다는 점에서 의의가 있다.

소듐 이온 전지.. 하이브리드로 생명

소듐 이온 하이브리드 에너지 저장 장치의 구성 및 저장 메커니즘을 나타낸 모식도

연구팀은 리튬 이온 전지보다 나은 전지를 개발하기 위해 소듐에 주목했다. 소듐 이온 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 자원의 접근성이 높아 가격이 상대적으로 매우 저렴하다.

하지만 실제 활용을 위해서는 고성능 전극이 필요했다. 연구팀은 이에 따라 양극과 음극에 다른 저장 메커니즘을 갖는 두 가지의 전극을 결합해 높은 용량을 유지하면서 고출력까지 낼 수 있는 하이브리드 전지를 개발했다.

연구팀은 질소가 도핑된 3차원 형태의 메조 다공성 금속산화물 나노 구조체와 질소 도핑된 그래핀을 결합해 전극을 구성했다. 이번 연구에서 개발한 메조 다공성의 금속산화물 나노 구조체는 5~10나노미터 크기의 나노 입자들 사이에 다량의 열린 메조 기공이 형성돼 있다. 이 기공들이 나노 입자 사이에 3차원적으로 연결된 구조를 짜여져, 부족한 전기 전도도를 높일 수 있다.

연구팀은 이 전지가 다른 소듐 기반의 배터리와 같은 수준의 저장 용량을 유지하면서도 300배 이상 높은 출력 밀도를 나타내, 수십초내 충전할 수 있는 기능을 갖췄다고 설명했다.

리튬 이온 전지 대체 가능

강정구 EEWS 대학원 교수

연구팀은 이 전지가 급속 충전이 필요한 다양한 휴대용 전자기기에 활용될 수 있을 것으로 봤다. 기존 휴대용 기기에 사용되는 리튬 이온 전지의 경우 배터리 발화, 짧은 수명, 리튬 광물의 높은 가격, 부족한 희토류 원소 매장량, 느린 전기화학적 반응 속도 등이 한계로 꼽힌다.

강 교수는 "소듐 기반이기 때문에 저가 제작이 가능하고 활용성이 뛰어나 기존보다 높은 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장장치의 상용화에 기여할 것"이라며 "저전력 충전 시스템을 통해 급속 충전이 가능해 전기자동차와 휴대 가능한 전자 기기에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr