‘수 초에 스마트폰 충전’ 기술 개발

미국 드렉셀 대학 고고치 박사

스마트 폰을 사용할 때 가장 힘든 것은 배터리가 쉽게 방전되는 것이다. 얌전하게 전화로만 쓰면 모를까 스마트폰을 네비게이션 용도로 사용할 때면 배터리는 너무나 쉽게 소모돼서 사용자를 초조하게 만든다.

일단 방전되면 재충전하는데 수십분 이상 걸린다. 그런데 만약 스마트폰을 수초만에 충전할 수 있다면? 혹은 전기자동차를 수 분 만에 충전할 수 있다면?

이런 꿈같은 이야기가 현실이 될 날이 가까워질지 모른다.

미국 드렉셀대학(Drexel University) 연구팀이 전자파 차단 신소재인 맥신(MXene)을 이용, 배터리의 핵심인 전극의 설계를 바꿔 개발했다. 이 새 전극은 배터리 충전 속도를 엄청나게 빠르게 늘려주는 역할을 한다.

맥신 신소재 사용, 배터리 전극 설계 바꿔    

기존의 배터리가 구불구불한 단선도로였다면, 새로운 맥신 배터리는 “여러 차선의 곧게 뻗은 고속도로와 같다”고 연구팀은 발표했다.

여기에서 중요한 것은 전극을 아주 작은 구멍을 낸 구조로 설계해서, 이온을 아주 빠르게 이동시키는 것이다.

드렉셀 공대 연구팀은 10일 ‘네이처 에너지’에 발표한 논문에서 맥신 신소재로 만든 새로운 배터리 전극을 공개했다. 이 맥신 전극은 수 초 만에 배터리를 완전히 충전하는 것을 가능하게 한다.

유리 고고치 (Yury Gogotsi) 드렉셀 대학 재료과학및공학 교수 팀이 개발한 맥신 전극은 ‘수퍼커패시터’와 같은 속도로 에너지를 저장해준다. 수퍼 커패시터는 배터리 백업장치나 혹은 카메라 플래시 같이 아주 빠른 충전이 필요할 때 사용하는 기술이다.

맥신 전극 개념도 ⓒ Drexel University

맥신 전극 개념도 ⓒ Drexel University

고고치 교수는 “이번에 개발한 맥신 배터리는 보통 사용하는 화학적 배터리가 가진 단점을 당연한 것으로 여기던 것을 거부한다”고 말했다.

고고치 교수는 얇은 맥신 전극이 수십 밀리세컨드 안에 충전하는 것을 보여줬다. 고고치 교수는 “수 초 안에 충전과 방전을 할 수 있는 엄청나게 빠른 에너지 저장장치 개발의 길을 열었으며, 기존의 수퍼캐퍼시터 보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있다”고 말했다.

빠른 충전의 열쇠는 전극 설계에 있다. 전극은 배터리의 가장 필수적인 부분으로 전극을 통해 에너지는 충전되고, 전극으로부터 전기가 나간다. 그러므로 이 전극을 아주 효율적으로 설계하면 충전 속도를 높일 수 있다.

더 많은 에너지를 충전하려면 배터리에 전기를 저장할 장소가 필요하다. 배터리에 많은 전기를 저장하려면, 전기가 드나드는 통로를 정비해야 하고, 전기가 들어갈 더 많은 포트가 필요하다.

이번 연구에서 프랑스 툴루즈의 폴 사바티에 대학(Université Paul Sabatier) 패트리스 시몽(Patrice Simon)박사와 지펭 린(Zifeng Lin)은 산화환원반응이 더 활발한 히드로겔 전극을 설계했으며 이것이 더 많은 전기를 잡아두는 역할을 한다.

이 히드로겔 전극 포트가 더욱 더 이온을 잘 끌어오게 하는 연구는 드렉셀 대학팀의 마리아 루카츠카야(Maria Lukatskaya)박사가 맡았다.

이번 논문의 제1저자인 루카츠카야 박사는 “전통적인 배터리와 수퍼 커패시터의 경우, 이온이 포트에 들어가는 길이 길고 복잡하기 때문에, 속도를 느리다. 뿐만 아니라  적은 이온이 목적지에 도착하는 곤란한 상황을 만들어낸다.”고 말했다.

루카츠카야 박사는 “이상적인 전극의 구조는 이온이 단선도로를 이동하는 대신, 여러 차선의  빠른 고속도로 포트로 움직이는 것이다. 우리가 개발한 전극 설계는 수 초 또는 그 미만의 아주 빠른 시간 안에 충전을 가능하게 한다”고 말했다.

맥신 전극 개념도 ⓒ Nature Energy

맥신 전극 개념도 ⓒ Nature Energy

맥신 신소재를 전극에 사용함으로써 얻는 이점은 빠른 전도성이다. 전기 전하를 빨리 흐르게 하는 알루미늄이나 구리 같은 물질은 종종 전선으로 사용된다.

맥신 신소재는 이런 금속만큼 전도성이 좋아서 이온이 움직이기 좋게 넓은 길을 만들어줄 뿐 아니라, 이온이 전자를 빨리 만나도록 해 준다.

이번 연구에서 이스라엘 바르-일란 대학(Bar-Ilan University)의 미카엘 레비 (Mikhael Levi)박사 등은 맥신 전극에서 이온이 도착할 수 있는 포트 숫자를 늘리는 설계를 지원했다.

KIST 연구팀과 전자파 차폐소재도 개발    

드렉셀 대학 재료공학과 연구팀이 2011년 발견한 맥신 신소재는 매우 빠르게 응용범위를 넓혀가고 있다. 배터리 응용은 가장 최근의 사례 중 하나이다. 세계 각국 연구원들은 맥신 신소재를 이용해서 전자파 차폐, 정수 등 다양한 분야에서의 응용을 시험해왔다.

이 중 배터리 응용은 특히 중요하다. 현재 전기차 시장이 확대되는 것을 방해하는 가장 중요한 원인은 바로 오랜 충전시간이다. 빠른 충전은 동시에 스마트 폰을 비롯한 모바일 기기의 사용범위를 크게 넓혀줄 것이다.

고고치 박사는 “만약 우리가 2D구조이면서, 전기 전도성이 높은 물질을 배터리 전극으로 사용하기 시작하면, 배터리를 지금 보다 아주 많이 빠르게 충전할 수 있다”고 말했다.  전기차나 스마트폰 배터리 등의 충전시간을 수 시간이 아니라, 수 초 또는 수 분 만에 해결할 것이라고 고고치 교수는 말했다.

유리 고고치 교수는 맥신 연구의 세계적인 개척자이다. 고고치 교수는 지난해에는 우리나라 구종민 한국과학기술연구원(KIST) 박사팀과 함께 전자파 차폐 소재를 개발해서 사이언스에 논문을 발표한 적이 있다.

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