강원대 정형모 교수팀과 공동 연구를 통해 거둔 이 연구 성과는 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 지난 15일자 온라인판에 게재됐다.
리튬 이온 배터리 같은 에너지 저장 소자는 넓은 전압 범위와 높은 에너지 밀도를 가진다.
그러나 유기 전해질을 쓰기 때문에 화재 등 안전 문제가 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. 이번 연구에서 개발한 다공성 금속 산화물 나노입자는 2~3㎚ 크기의 나노 클러스터로 이뤄져 있다. 5㎚ 이하 메조 기공이 다량으로 형성돼 있다.
이런 다공성 구조에선 이온이 물질 표면으로 빠르게 전달된다. 작은 입자크기와 넓은 표면적에 의해 짧은 시간 많은 수의 이온이 금속 산화물 입자 내부에 저장된다. 연구팀은 철과 망간, 두 종류의 다공성 금속 산화물을 양극과 음극에 각각 적용했다. 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 말했다. 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단 지원을 받아 수행했다.
조재근 기자 jack333@cctoday.co.kr