▲ 그래핀 위에 형성된 다공성 금속 산화물 나노입자 전극의 수계 이온 저장 특성을 나타낸 그림

한국과학기술원(KAIST)은 27일 EEWS대학원·신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 고성능 물 기반 하이브리드 에너지 저장 소자를 개발했다고 밝혔다.

강원대 정형모 교수팀과 공동 연구를 통해 거둔 이 연구 성과는 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 15일 자 온라인판에 논문으로 실렸다.

리튬 이온 배터리 같은 에너지 저장 소자는 넓은 전압 범위와 높은 에너지 밀도를 가진다.

그러나 유기 전해질을 쓰기 때문에 화재에 취약하다는 한계가 뒤따른다.

전기화학적 반응 속도가 느려 소자를 충전하는데 비교적 긴 시간이 필요하다는 단점도 있다.'
연구팀은 물 기반 전해질을 사용해 높은 에너지 밀도·고출력·우수한 사이클 특성을 갖는 에너지 저장 전극을 만들었다.

작은 틈이 많이 분포된 다공성 금속 산화물 나노입자와 그래핀 복합 물질을 결합한 게 연구의 핵심 성과다.

새로 개발한 다공성 금속 산화물 나노입자는 2∼3㎚ 크기다.

다공성 구조에서는 이온이 물질 표면으로 빠르게 전달된다.

작은 입자크기와 넓은 표면적 영향으로 짧은 시간 동안 많은 수의 이온이 금속 산화물 입자 내부에 저장된다.

연구팀은 철과 망간, 두 종류의 다공성 금속 산화물을 양극과 음극에 각각 적용했다.

이를 바탕으로 2V의 넓은 전압 범위에서 작동하는 물 기반 전해질 기반 하이브리드 소자를 구현했다.

이 소자는 기존 배터리보다 100배 이상 빠른 출력 밀도를 보인다.

수십 초 내로 급속충전을 할 수 있어 휴대용 전자기기에 접목할 수 있을 것으로 기대된다.

강정구 교수는 "기존 기술 이상의 고용량·고출력 특성은 새로운 개념의 에너지 저장장치 상용화에 이바지할 것"이라고 강조했다.

연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단 지원을 받아 수행했다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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