수 초 만에도 급속충전 가능 소듐전지 개발​

https://etoland.co.kr/link.php?n=9164375 복사

< (왼쪽부터) 신소재공학과 강정구 교수, 최종휘 박사과정, 김동원 박사과정 >

소듐 (Na) 은 리튬 (Li)  대비 지구상에  500 배 이상으로 존재하기 때문에 이를 활용한 소듐 이온 배터리는 최근 큰 주목을 받고 있다 .  그러나 리튬 이온 배터리에 비해 낮은 출력 ,  제한된 저장 특성 ,  긴 충전 시간 등의 근본적인 한계점이 있어 이를 극복하는 차세대 에너지 저장 소재 개발이 필요하다 .  

우리 대학 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능의 급속 충전이 가능한 고에너지 · 고출력 하이브리드 소듐 이온 전지를 개발했다고  11 일 밝혔다 .  

최근 활발하게 연구가 진행되고 있는 하이브리드 에너지 저장 시스템은 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합해 높은 저장 용량과 빠른 충 · 방전 속도를 모두 지닐 수 있는 장점을 가지고 있다 .  이는 기존 소듐 이온 배터리의 한계를 극복해 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다 .  

하지만 고에너지 및 고출력 밀도의 하이브리드 전지를 구현하기 위해서 배터리용 음극의 상대적으로 느린 에너지 저장 속도를 향상해야 하는 동시에 음극에 비해 상대적으로 낮은 용량을 갖는 축전기용 양극재의 에너지 저장 용량을 끌어 올려야 한다 .

< 그림 1. 금속-유기 골격체에서 기인한 이종 원소가 도핑된 다공성 탄소 구조체 기반의 음극(FS/C/G)과 양극(ZDPC) 재료의 합성 과정 모식도 >

이에 강 교수 연구팀은 두 가지 서로 다른 금속 - 유기 골격체를 활용해 하이브리드 전지에 최적화된 전극 소재의 합성법을 제시했다 .  우선 금속 - 유기 골격체에서 기인한 다공성 탄소 소재에 미세한 활물질을 함유해 속도 특성이 향상된 음극 소재를 개발했다 .  고용량 양극 소재를 합성했고 ,  이를 조합해 양극 간의 에너지 저장 속도 특성의 차이를 최소화하면서도 용량 균형을 최적화한 소듐 이온 에너지 저장 시스템을 개발했다 .  

연구팀은 개발된 음극과 양극을 완전셀로 구성해 고성능 하이브리드 소듐이온 에너지 저장 소자를 구현했다 .  하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 기존 상용화된 리튬이온 배터리를 뛰어넘는 에너지 밀도와 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 가짐을 확인했으며 ,  차세대 에너지 저장 장치로 수 초에서 수 분 만에 급속 충전이 가능해 전기 자동차 ,  스마트 전자기기 ,  항공 장치 등에 적용할 수 있을 것으로 예상된다 .

< 그림 2. 하이브리드 소듐 이온 전지 모식도 (좌), 기존 에너지 저장 소자를 상회하는 에너지·출력 밀도 비교 그래프 (우) >

강 교수는  " 전극 기준으로 높은  에너지 밀도 (247 Wh/kg) 를 가지며 ,  고출력 밀도 (34,748 W/kg) 에 의한 급속 충전이 가능한 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 현 에너지 저장시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것이다 ˮ 라며   " 전기 자동차를 포함한 모든 전자기기의 활용 범위를 확대해 적용될 수 있을 것이다 ˮ 고 말했다 .  

신소재공학과 최종휘 박사과정과 김동원 박사과정이 공동 제 1  저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 저장 소재 분야의 국제 학술지   ` 에너지 스토리지 머터리얼스 (Energy Storage Materials)' 에  3 월  29 일  字  게재됐다 .  ( 논문명 :  Low-crystallinity conductive multivalence iron sulfide-embedded S-doped anode and high-surface area O-doped cathode of 3D porous N-rich graphitic carbon frameworks for high-performance sodium-ion hybrid energy storages)  

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

https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=36170