왼쪽상단 시계방향부터 송현곤 교수, 권태혁 교수, 이명희 연구원, 김병만 연구원. UNIST 제공
실내조명으로 배터리를 충전해 쓰는 에너지 재활용 시대가 멀지 않았다.
UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈)는 송현곤·권태혁 교수 연구팀이 실내조명을 이용한 에너지 효율을 13.2%까지 끌어올린 배터리 시스템을 개발했다고 25일 밝혔다.
이는 지금까지 개발된 광 충전 시스템 중 최고 기록인 11.5% 보다 높은 수준이다.
연구진은 전극 소재인 리튬망간산화물(LiMn2O4)에 리튬 이온을 더 빠르게 집어넣는 방법으로 충전 효율을 높였다.
리튬망간산화물에 전기화학적 자극을 줘 입자들을 한 방향으로 정렬시키고 그 크기를 키운 게 핵심이다.
투과전자현미경 사진으로 입자의 방향 정렬성과 크기가 개선된 것이 확인됐다. 입자 하나의 크기가 기존 26 nm(나노미터, 10-9)에서 34 nm로 커졌다.
개발된 광 충전 이차전지 시스템은 염료감응 태양전지와 발전으로 얻은 전력을 저장하는 배터리가 합쳐진 시스템이다.
리튬 이온이 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 기록했다.
염료감응형 광 충전 배터리 원리. UNIST 제공
제1저자인 이명희 UNIST 에너지화학공학과 박사는 "리튬망간산화물은 일반적 리튬이온배터리에서 일어나는 반응 외에 리튬이온을 저장하는 또 다른 반응 경로가 있는데 이를 이용해 결정 구조를 정렬시킬 수 있었다"고 말했다.
공동 제1저자인 김병만 UNIST 화학과 연구조교수는 "리튬이온을 추가로 넣는 반응에서는 결정구조가 정육면체 구조에서 정방정계 구조로 바뀌게 된다"며 "충·방전으로 이런 변화가 반복되면서 입자를 정렬시키는 것"이라고 했다.
한편, 염료감응 태양전지를 이용한 실내조명 발전은 실리콘 태양전지 등과 달리 어두운 밝기(저조도) 빛으로 전기 생산이 가능하다.
빛이 없는 조건에서도 안정적으로 쓰기 위해서는 생산된 전력을 저장하는 배터리 시스템이 함께 필요하다.
권태혁 교수는 "실내조명 발전은 조명으로 버려지는 전기에너지를 재활용하는 기술일 뿐만 아니라 태양광발전과 달리 장소, 날씨, 시간 제약이 없다는 장점이 있다"고 말했다.
그러면서 "개발된 일체화된 시스템 사용할 경우 실내조명으로 생산된 전기를 효율적으로 쓸 수 있을 것"이라고 했다.
이번 연구는 에너지 분야의 권위 학술지인 ACS Energy Letters의 표지 논문으로 선정돼 출판될 예정이다.