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수십 초 내 충전가능한 물 기반 저장소자 개발…KAIST

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물 기반 융합 에너지 저장 소자의 모식도와 최적화된 그래핀 기반 고분자 사슬 음극(왼쪽), 나노 이하 금속 산화물 양극 표면 이미지.© News1
(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 EEW(energy environment waterand sustainability)대학원 강정구 교수 연구팀이 수십 초 내 급속충전이 가능한 물 기반 융합에너지 저장소자를 개발했다고 20일 밝혔다.

기존의 물 기반 에너지 저장장치는 낮은 구동전압과 음극재료의 부족으로 에너지 밀도가 낮고 급속 충전에 한계가 있었다. 

에너지 저장장치는 두 전극에 의해 에너지 저장 용량이 정해지며 양극, 음극의 균형이 이뤄져야 높은 안정성을 갖는다. 일반적으로 두 전극은 전기적 특성에 차이를 보이고 이온 저장 과정이 다르기 때문에 불균형에 의한 낮은 용량 및 안정성을 보이곤 한다.

이에 연구팀은 전극의 표면에서 빠른 속도로 에너지 교환을 이루게 하고 양극 사이의 에너지 손실을 최소화시킴으로써 고성능 에너지 저장장치를 구현하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 음극소재는 전도성 고분자 물질로 배터리, 슈퍼커패시터 전극 재료로 활용 가능하다. 이는 그래핀 표면과 층 사이에서 그물 모양의 최적화된 외형으로 기존 음극소재에 비해 높은 에너지 저장용량을 갖는다.

양극소재는 나노크기 이하의 금속 산화물이 그래핀 표면에 분산된 외형을 이루고 원자와 이온이 일대일로 저장되는 형식이다.

두 전극을 기반으로 한 연구팀의 에너지 저장 소자는 고용량과 함께 높은 에너지 및 출력 밀도를 보이며 음극과 양극의 물리적 균형을 통해 매우 안정적인 충·방전 결과를 보였다.

연구팀이 개발한 물 기반 융합에너지 저장소자는 기존의 물 기반 배터리에 비해 100배 이상으로 높은 최대 출력 밀도를 보이며 급속 충전이 가능하다. 또10만 번 이상의 높은 충, 방전 전류에서도 용량이 100% 유지되는 고 안정성을 보였다.

강 교수는 “친환경적인 이 기술은 제작이 쉽고 활용성이 뛰어나 기존 기술 이상의 고용량, 고안정성은 물 기반 에너지 저장장치의 상용화에 기여할 것”이라며 “저전력 충전 시스템을 통해 급속 충전이 가능하기 때문에 휴대 가능한 전자 기기에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(단장 김광호)의 지원으로 수행됐다.

이번 연구 결과는 에너지재료분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced EnergyMaterials)’ 지난달 15일자에 게재됐다.

 

<뉴스1 2018.02.20>

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