초고속 충전이 가능한 차세대 배터리 기술을 국내에서 개발됐다.

강정구 KAIST EEWS 대학원 교수팀은 질소가 올려진 '다공성 금속산화물' 기반 전극을 이용해 높은 에너지 밀도와 고출력을 갖는 '소듐 이온 에너지 저장 소자'를 구현했다고 6일 밝혔다.

이 기술은 현재 주로 사용되는 배터리보다 충전이 빠르고 출력도 뛰어난데다 가격 경쟁력도 높다. 수십 초 만에 충전을 끝낼 수 있어 전기자동차 및 휴대용 전자기기 활용성을 큰 폭으로 높일 수 있을 것으로 기대된다.

현재 가장 높은 점유율의 상업용 배터리는 리튬 이온 물질 기반의 저장 소자로 넓은 전압 범위와 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다.

그러나 배터리 발화 및 짧은 수명 등의 문제와 리튬 광물의 높은 가격, 부족한 희토류 원소 매장량, 느린 전기화학적 반응 속도 등의 한계 때문에 충·방전이 오래 걸리고, 출력도 부족해 전기 자동차 및 차세대 모바일 기기에 적용하기 위해 많은 개선이 필요하다.

이 때문에 '소듐 이온' 기반 소자는 안전하고 친환경적이며, 리튬에 비해 원료를 구하기도 쉬워 차세대 배터리 소재로 주목받고 있다. 그러나 배터리의 출력이 부족한 것이 단점으로 지적됐다. 출력이 부족하면 충방전속도가 느려지고 강한 힘을 내기도 어려워진다. 출력 특성을 강제로 높일 수는 있지만 이 경우 저장 용량이 현저하게 떨어지는 단점이 있었다.

연구팀은 질소가 도핑된 3차원 형태의 다공성 금속산화물을 나노 구조체로 만들고, 여기 질소가 도핑된 그래핀(탄소단원자막)을 결합해 '하이브리드' 소자를 만들어 이런 단점을 해결했다. 

이렇게 개발한 배터리는 기존의 '소듐 기반 배터리'와 같은 수준의 저장 용량을 구현했지만 출력 특성이 300배 이상 높았다. 충전 속도가 빨라진데다 배터리의 힘도 크게 높아진 것이다. 수십 초 내 급속 충전이 가능해 전기자동차는 물론 스마트기기 등 휴대용 전자기기 등에 활용이 가능할 것으로 보인다.

연구진은 이 과정에서 '메조'란 특수형태의 다공성 금속산화물 구조체를 개발해 적용했다. 5~10나노미터(㎚=10억분의 1m) 크기의 입자 사이에 다량의 기공이 형성돼 있다. 기공들이 입자 사이에 3차원적으로 연결된 구조를 이뤄 질소 도핑 방법을 활용해 부족한 전기 전도도를 높이는데 성공했다.

이렇게 만든 전극 물질은 높은 용량의 에너지 저장이 가능하며, 동시에 충·방전 시간 역시 줄일 수 있다. 연구팀은 질소가 도핑된 다공성 금속산화물과 그래핀을 각각 배터리 속 음극과 양극 소자에 적용했다.

강 교수는 "저가 제작이 가능하고 활용성이 뛰어나 기존보다 높은 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장장치 상용화에 기여할 것"이라며 "저전력 충전 시스템에서도 급속 충전이 가능한 것이 큰 장점"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스' 1월 27일 자에 게재됐다.