연구팀은 질소가 올려진 메조 다공성 금속산화물 기반 전극을 이용해 높은 에너지 밀도와 고출력을 갖는 소듐 이온 에너지 저장 소자를 구현했다. 

이 기술은 현재 주로 사용되는 리튬 이온 배터리보다 경제성과 접근성이 우수해 급속 충전이 필요한 휴대용 전자기기에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 

소듐 이온 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 상대적으로 저렴하다. 자원의 접근성도 높아 리튬 이온을 대체하면서 기존 문제를 극복할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 주목받고 있다.

현재 범용 되는 배터리는 리튬 기반으로 넓은 전압 범위와 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다. 그러나 리튬 배터리는 여러 한계를 지닌다. 짧은 수명, 리튬 광물의 높은 가격, 부족한 희토류 원소 매장량, 느린 전기화학적 반응 속도 등이다. 이런 이유에서 고출력 특성을 요구하는 전기 자동차와 차세대 모바일 기기에 적용하기 위해선 개선이 필요한 실정이다. 

차세대 에너지 저장 소자로 주목받는 기존 금속산화물은 전기 전도성이 낮고 비표면적이 좁아 많은 양의 이온이 접근에 한계가 있다. 

강정구 교수 연구팀은 질소가 도핑된 다공성 금속산화물과 그래핀을 각각 음극과 양극에 각각 적용해 고성능의 소듐 이온 하이브리드 전지를 구현했다. 이러한 시스템에서 고용량과 고출력의 에너지를 발생하는 저장장치를 개발했다. 

이번 연구에서 개발한 메조 다공성의 금속산화물 나노 구조체는 5~10나노미터 크기의 나노 입자들 사이에 다량으로 열린 메조 기공이 형성돼 있다. 기공들이 나노 입자 사이에 3차원으로 연결된 구조를 이뤄 질소 도핑 방법을 활용해 부족한 전기 전도도를 높일 수 있었다. 이러한 이유에서 높은 용량의 에너지 저장이 가능함과 동시에 충전 시간도 줄일 수 있다. 

이 하이브리드 저장 소자는 소듐 기반의 배터리에 비해 같은 수준의 저장 용량을 유지하면서 300배 이상 빠른 출력 밀도를 보이며, 수십 초 내 급속 충전이 가능해 소형의 휴대용 전자기기 등에 활용 가능할 것으로 기대된다.

강정구 교수는 "소듐 기반이기 때문에 저가 제작이 가능하고 활용성이 뛰어나 기존보다 높은 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장장치의 상용화에 기여할 것"이라며 "저전력 충전 시스템을 통해 급속 충전이 가능해 전기 자동차와 휴대 가능한 전자기기에 적용할 것으로 기대한다"고 언급했다. 

이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Sceince)에 1월 27일 자에 게재됐다.