대구경북과학기술원(DGIST)은 나노기술연구부 김정민 선임연구원이 경북대학교 RLRC 이다민 연구원과 공동 연구로 태양광 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 고성능 자가 충전 에너지 저장 장치를 개발했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 전이금속 기반 전극 소재를 활용해 기존 슈퍼커패시터 디바이스의 성능을 개선하고 태양전지와 결합한 새로운 방식의 에너지 저장 기술을 제시했다.

연구팀은 니켈 기반 탄산염·수산화물 복합 소재를 사용해 전극을 설계했으며 망간(Mn), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 아연(Zn) 등 전이금속 이온을 추가해 전극의 전도성과 안정성을 극대화했다.

이 기술은 에너지 밀도, 출력 밀도, 충·방전 안정성 면에서 에너지 저장 장치의 성능을 대폭 향상시키는 성과를 보였다.

특히 연구에서 확인된 에너지 밀도는 35.5 Wh kg⁻¹로 기존 연구 결과(5~20 Wh kg⁻¹)와 비교해 단위 무게당 저장할 수 있는 에너지 양이 현저히 높았다.

출력 밀도는 2555.6 W kg⁻¹다. 기존 연구치(~1000 W kg⁻¹)를 크게 상회하며 단시간에 더 높은 전력을 방출할 수 있어 고출력 기기에서도 즉각적인 에너지 공급이 가능함을 입증했다. 반복적인 충·방전 과정에서도 성능 저하가 거의 발생하지 않아 장치의 장기적 사용 가능성을 확인했다.

연구팀은 실리콘 태양전지와 슈퍼커패시터를 결합한 에너지 저장 장치를 개발해 태양광 에너지를 저장하고 실시간으로 활용할 수 있는 시스템을 구현했다.

이 시스템은 63%의 에너지 저장 효율과 5.17%의 전체 효율을 기록하며 자가 충전 에너지 저장 장치의 상용화 가능성을 실질적으로 입증했다.

김 선임연구원은 "이번 연구는 국내 최초로 슈퍼커패시터와 태양전지를 결합한 자가 충전 에너지 저장 장치를 개발하며 전이금속 기반 복합 소재를 활용해 에너지 저장 장치의 한계를 극복하고 지속 가능한 에너지 솔루션을 제시한 중요한 성과"라고 말했다.

이 연구원은 "자가 충전 장치의 효율을 더욱 높이고 상용화 가능성을 강화하기 위한 후속 연구를 지속적으로 이어가겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 DGIST 기관고유사업, 우수신진연구사업, 경북대 탄소중립 지능형 에너지시스템 지역혁신 선도연구센터의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 저장 및 변환 기술 분야의 세계적 학술지 Energy(JCR 상위 3.2%)에 12월 게재됐다.