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[IT뉴스]리튬보다 500배 많은 소듐으로 배터리 만든다… 출력 성능 개선 성공

온카뱅크관리자

2024-04-11 10:31:48

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KAIST 연구진, 저장 용량 높은 차세대 에너지 저장 장치 개발 전기 자동차, 스마트 전자기기에 활용 가능 
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 강정구 KAIST 신소재공학과 교수 연구진이 급속 충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 소듐 이온 전지를 개발했다. 사진은 중국 닝더스다이(CATL)의 1세대 소듐 이온 배터리./CATL
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 리튬보다 지구에 500배 많은 소듐(나트륨)을 활용한 이온 배터리가 주목받고 있다. 국내 연구진이 소듐 이온 배터리의 낮은 출력, 긴 충전 시간을 개선할 방법을 찾았다.
 강정구 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수 연구진은 우수한 성능의 급속 충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 소듐 이온 전지를 개발했다고 11일 밝혔다.
 리튬 이온 배터리는 스마트폰이나 노트북, 전기차 등 많은 전자기기에 들어간다. 하지만 리튬 매장량이 한정적인 탓에 가격이 점점 상승하고 있어 리튬을 대신할 새로운 물질을 찾는 노력이 계속되고 있다. 소듐은 리튬에 비해 저렴하고 매장량이 풍부하기 때문에 차세대 배터리 후보 물질로 주목받는다.
 문제는 소듐 이온이 리튬 이온보다 크고 무겁기 때문에 배터리의 수명과 출력 성능이 좋지 않다는 점이다. 하이브리드 에너지 저장 시스템은 소듐 이온 배터리의 이런 단점을 극복할 기술이다.
 하이브리드 에너지 저장 시스템은 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합해 저장 용량이 높고 충·방전 속도가 빠르다. 기존 소듐 이온 배터리의 한계를 극복해 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치다. 고에너지와 고출력 하이브리드 전지를 구현하기 위해서는 음극의 에너지 저장 속도를 높이고, 양극재의 에너지 저장 용량을 올리는 것이 중요하다.
 연구진은 두 가지 서로 다른 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF)를 활용해 하이브리드 전지용 전극 소재를 개발했다. 금속-유기 골격체는 금속 이온과 유기 분자가 섞인 결정 구조다. 연구진은 우선 금속-유기 골격체 기반의 다공성 탄소 소재에 미세한 활물질을 넣어 저장 속도를 높인 음극 소재를 만들었다. 다음으로 고용량 양극 소재를 합성해 음극과 양극 사이의 에너지 저장 속도 차이를 줄이면서도 용량 균형을 최적화한 소듐 이온 에너지 저장 시스템을 개발했다.
 개발한 음극과 양극을 활용한 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도와 축전기의 출력 밀도가 높았다. 연구진은 이번에 만든 차세대 에너지 저장 장치가 수 초에서 수 분 만에 급속 충전이 가능해 전기 자동차, 스마트 전자기기, 항공 장치에 사용할 수 있을 것으로 예상했다.
 강 교수는 “전극 기준으로 높은 에너지 밀도를 가지며, 고출력 밀도로 급속 충전이 가능한 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 현 에너지 저장시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것ˮ이라며 “전기 자동차를 포함한 모든 전자기기에 적용될 수 있을 것ˮ이라 전했다.
 이번 연구 결과는 에너지 저장 소재 분야의 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’에 지난 29일 게재됐다.
 참고 자료
 Energy Storage Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103368
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