KAIST, 30초면 충전 가능한 융합에너지 저장소자 개발

물 기반 융합에너지 저장소자 모식도(위)와 최적화한 그래핀 기반 고분자 사슬 음극(왼쪽 아래)·나노 이하 금속 산화물 양극 표면 이미지.

1분 이내에 급속 충전할 수 있는 물 기반 융합에너지 저장소자가 개발됐다. 기존 유기 전해질 대신에 물 전해질을 사용하면서도 급속 충전이 가능하고 에너지 밀도가 높아 휴대용 전자기기용으로 활용할 수 있을 것으로 보인다.
KAIST(총장 신성철)은 강정구 EEWS대학원 교수팀이 그래핀 고분자를 음극, 나노금속 산화물을 양극, 물 종류 전해질을 사용해 20~30초 사이에 급속 충전할 수 있는 고성능 융합에너지 저장소자를 개발했다고 지난달 20일 밝혔다.
기존 물 기반 전해질을 이용한 에너지 저장장치는 저장 표면적이 작고 물질 전도성이 떨어져 급속 충전이 어려웠다. 양극과 음극의 전기 특성과 이온 저장과정이 달라 에너지 밀도도 낮았다.
연구팀은 새로운 구조와 새로운 소재의 전극을 개발, 이같은 부조화를 최소화했다. 음극은 그래핀 고분자 물질을 이용해 만들었다. 그래핀은 표면과 층 사이가 그물 모양 구조라 표면적이 넓어 에너지 저장용량을 늘릴 수 있다.
양극은 미세 금속 산화물을 사용해 이온반응성을 높였다. 나노미터(㎚) 크기보다 작은 원자 크기 금속 산화물을 그래핀 표면에 분산시켜 반응성을 높이고 이온 저장 면적을 극대화 했다. 최적화 기술을 더해 에너지 저장소자의 에너지밀도를 높였다. 전극 표면의 빠른 에너지 교환, 에너지 손실 최소화도 이뤘다.
이렇게 개발한 에너지 저장장치는 USB 충전기를 비롯한 저전력 충전시스템으로 20~30초 안에 충전할 수 있다. 기존 물 기반 배터리보다 100배 이상 높은 최대 출력 밀도를 자랑한다. 높은 전류로 10만번 이상 충·방전해도 100% 용량을 유지한다.
강정구 교수는 “이 기술은 저전력 충전시스템으로도 급속 충전할 수 있어 휴대 전자기기 적용 가능성이 높다”면서 “용량과 안정성이 높아 관련 저장장치 상용화에 기여할 것”이라고 말했다.