- UNIST 연구진, 전극 물질 성능 개선으로 13.2% 에너지효율 기록

- 리튬이온배터리 고속 충전에도 응용 가능… ACS Energy Lett. 표지 선정

버려지는 실내조명(빛)으로 배터리를 충전해 쓰는 에너지 재활용 시대가 앞당겨질 전망이다. 조명 불빛의 충전 효율을 크게 끌어올린 전극 소재가 새롭게 개발됐기 때문이다.

UNIST(총장 이용훈) 송현곤·권태혁 교수 연구팀은 실내조명을 이용한 에너지효율을 13.2%까지 끌어올린 배터리 시스템을 개발했다. 이는 이제껏 개발된 광 충전 시스템 중 최고 기록인 11.5%를 훌쩍 뛰어넘는다.

* 에너지효율: 외부로부터의 빛 에너지를 화학 에너지로 저장했다가, 다시 전기 에너지로 변환하여 사용하는 효율. (=에너지 변환·저장 효율) 태양전지의 광전변환 효율과 구분된다.

전기화학적 자극을 통한 결정 정렬 및 입자 크기 향상

결정(입자) 정렬 및 크기 증가로 충전성능이 좋아진다. 입방정계(cubic)와 정방정계(tetragonal) 사이의 결정 구조 변화가 있는 3V 반응에서만 결정 정렬이 일어난다.

연구진은 전극 소재인 리튬 망간 산화물(LiMn2O4)에 리튬이온을 더 빠르게 집어넣는 방법으로 충전 효율을 높였다. 리튬 망간 산화물에 전기화학적 자극을 줘 입자들을 한 방향으로 정렬시키고 그 크기를 키움으로써, 리튬이온이 전극에 더 많이, 더 빨리 저장될 수 있도록 했다. 투과전자현미경 사진으로 입자의 방향 정렬성과 크기 개선이 확인됐다. 특히 입자 하나의 크기가 기존 26㎚(나노미터, 10-9)에서 34㎚로 커졌다.

결정이 정렬된 전극을 적용한 광 충전 배터리와 이차전지 리튬이온전지의 성능

결정이 정렬된 LMO(L34 및 L34*)를 사용한 경우 실내조명에서의 효율이 그렇지 않은 경우에 비해 모든 조명에서 높은 효율을 보여준다. 빛 세기가 약할수록 결정 정렬의 효과가 크다. 또한, LIB(리튬이온배터리)의 율속 특성을 보면, 4VLi/Li+ 반응과 3VLi/Li+ 반응 모두 빠른 속도로 리튬이 삽입되는 상황에서 우수한 성능을 보여준다.

개발된 광 충전 이차전지 시스템은 염료감응 태양전지(발전기)와 발전으로 얻은 전력을 저장하는 배터리가 합쳐진 시스템이다. 리튬이온이 배터리 전극에 단위 시간당 더 많이 저장될수록 충전 효율이 높다. 연구진은 이 같은 시스템을 선행연구를 통해 개발하고, 11.5%의 높은 에너지 변환·저장 효율을 기록한 바 있다.

* 염료감응 광(태양)전지: 일반적인 실리콘 태양전지 등과 달리 어두운 밝기(저조도) 빛을 통해서도 전기 생산 효율이 높다. 빛이 있을 때만 발전하기 때문에 이를 저장해 안정적으로 쓸 수 있는 배터리 시스템이 필요하다. 식물이 광합성을 할 때 식물 잎의 엽록소라는 염료가 빛을 흡수해 전자를 만드는 원리에서 착안한 전지다.

염료감응형 광 충전 이차전지(Dye-sensitized photorechargeable battery, DSPB)의 구조 및 작동 원리.

빨간색 화살표는 빛으로 인해 광 전극(PE)에서 전자가 생성되고 저장 극(SE)에 저장되는 흐름을, 파란색은 방전 시 방전 전극(DE)으로의 전자의 흐름을 나타낸다.

제1 저자인 이명희 UNIST 에너지화학공학과 박사는 “리튬 망간 산화물은 일반적 리튬이온배터리에서 일어나는 반응 외에 리튬이온을 저장하는 또 다른 반응 경로가 있는데, 이를 이용하여 결정 구조를 정렬시킬 수 있었다”고 설명했다.

공동 제1 저자인 김병만 UNIST 화학과 연구조교수는 “실제로 리튬이온을 추가로 넣는 반응에서는 결정 구조가 정육면체 구조(cubic)에서 정방정계 구조(tetragonal)로 바뀌게 된다”며, “충·방전으로 이런 변화가 반복되면서 입자를 정렬시키는 것”이라고 설명했다.

* 리튬이온배터리: 리튬이온의 산화 환원 반응을 이용해 전기 에너지를 저장하는 장치. 각종 전자기기나 전기차의 배터리로 쓰이고 있다.

한편, 염료감응 태양전지를 이용한 실내조명 발전은 실리콘 태양전지 등과 달리 어두운 밝기(저조도) 빛으로 전기 생산이 가능하지만, 빛이 없는 조건에서도 안정적으로 쓰기 위해서는 생산된 전력을 저장하는 배터리 시스템이 함께 필요하다.

권태혁 교수는 “실내조명 발전은 조명으로 버려지는 전기 에너지를 재활용하는 기술일 뿐만 아니라 태양광발전과 달리 장소, 날씨, 시간 제약이 없다는 장점이 있다”며, “개발된 일체화된 시스템 사용할 경우 실내조명으로 생산된 전기를 효율적으로 쓸 수 있을 것”이라고 기대했다.

송현곤 교수는 “간단한 전기화학적 자극만으로도 저장 전극 물질의 동역학 성질을 개선해 배터리의 충전 효율을 증가시킨 것이 주효했다”며, “이 물질은 리튬이온배터리의 고속 충전 등에서도 응용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 에너지 분야의 권위 학술지인 ACS Energy Letters의 표지 논문(supplementary cover)으로 선정돼 출판될 예정이다. 연구 진행은 ㈜한국전력공사(KEPCO)와 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다.

* 논문명: Electrochemically Induced Crystallite Alignment of Lithium Manganese Oxide to Improve Lithium Insertion Kinetics for Dye-Sensitized Photorechargeable Batteries

자료문의: 에너지화학공학부: 이명희 박사 052-217-2962