UCLA, 차세대 에너지 저장장치 개발

미국 UCLA 연구진이 태양광과 풍력 등 재생에너지의 대규모 저장에 활용할 수 있는 새로운 아연 기반 에너지 저장장치를 개발했다. 리튬 대신 풍부한 아연(Zn)을 사용하면서도 기존 유사 장치보다 7배 이상 높은 저장 용량을 구현해 차세대 전력망용 에너지 저장 기술로 주목받고 있다.

연구 결과는 국제학술지 Small에 게재됐다.

재생에너지의 보급이 확대되면서 전력을 안정적으로 저장하고 필요할 때 빠르게 공급할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS)의 중요성이 커지고 있다. 특히 전력망용 저장장치는 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도, 긴 수명, 낮은 생산 비용을 동시에 만족해야 한다.

UCLA 연구진은 이러한 조건을 충족할 수 있는 ‘아연 이온 하이브리드 배터리(Zinc-ion Hybrid Battery)’를 개발했다. 이 장치는 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터의 장점을 결합한 하이브리드 구조를 채택했다. 한쪽 전극은 배터리처럼 에너지를 저장하고, 다른 전극은 슈퍼커패시터처럼 빠른 충·방전이 가능하도록 설계됐다.

연구진은 성능 향상의 핵심으로 3D 프린팅 기술을 활용한 새로운 전극 구조를 제시했다. 벌집이나 스펀지를 닮은 다공성 구조를 정밀하게 제작한 뒤 내부에 에너지 저장 능력이 뛰어난 산화바나듐(Vanadium Oxide)을 채워 넣어 저장 용량을 크게 높였다.

이 과정에서 형성된 탄소 전극의 내부 표면적은 매우 커졌다. 연구진에 따르면 전극 재료 1g을 펼칠 경우 약 10개의 테니스 코트를 덮을 수 있을 정도의 넓은 표면적을 확보했다. 표면적이 커질수록 전하를 저장할 수 있는 공간도 증가해 에너지 밀도가 크게 향상된다.

실험 결과 새 장치는 기존 아연 기반 하이브리드 저장장치보다 7배 이상 많은 전하를 저장했으며, 1,500회의 충·방전 이후에도 초기 용량의 82%를 유지하는 높은 내구성을 보였다.

공동 교신저자인 마허 엘카디(Maher El-Kady) UCLA 연구원은 “미래의 에너지 저장 시장은 하나의 기술만으로 해결되지 않을 것”이라며 “이번 연구는 기존 전력망용 저장장치를 보완할 수 있는 고용량 아연 기반 에너지 저장 기술의 가능성을 보여준다”고 말했다.

연구진은 이번 연구에서 에너지 저장장치의 성능을 보다 정확하게 측정할 수 있는 새로운 실험 장치도 함께 개발했다.

기존 연구실에서는 비커에 전해질과 전극을 넣어 성능을 측정하는 방식이 일반적으로 사용된다. 하지만 전해질이 쉽게 증발하고 전극 위치가 일정하지 않아 실험 결과의 정확성과 재현성이 떨어지는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 연구진은 3D 프린터로 밀폐형 테스트 셀을 제작했다. 이 장치는 전해질 증발을 막고 전극 간 거리를 일정하게 유지하도록 설계됐다.

새로운 테스트 셀을 이용한 실험에서는 정전용량과 내부 저항 측정값의 일관성이 크게 향상됐다. 또한 동일한 탄소 전극을 1,500회 충·방전한 결과 초기 성능의 98%를 유지한 반면, 기존 개방형 비커 실험에서는 100회도 채 되지 않아 성능이 크게 저하되는 것으로 나타났다.

공동 교신저자인 릭 캐너(Ric Kaner) UCLA 교수는 “3D 프린팅을 이용하면 원하는 형태의 미세 구조를 자유롭게 설계할 수 있으며, 수십억 개의 미세 기공을 만들어 매우 넓은 내부 표면적을 확보할 수 있다”며 “이러한 구조가 높은 에너지 저장 능력의 핵심”이라고 설명했다.

제1저자인 소피아 우에무라(Sophia Uemura) 박사는 “3D 프린팅 기술이 보편화된 만큼 다른 연구자들도 손쉽게 동일한 테스트 셀을 제작해 보다 신뢰성 높은 실험 데이터를 얻을 수 있을 것”이라고 말했다.

연구진은 이번 기술이 리튬 의존도를 줄이면서도 저렴하고 친환경적인 차세대 전력망용 에너지 저장장치 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다. 아연은 리튬보다 약 100배 풍부하게 존재하며 채굴과 재활용이 쉬워 원료 확보와 지속가능성 측면에서도 유리하다는 평가를 받고 있다.