“IoT 센서 등 고효율 에너지 하베스팅 기대”
성인 4명이 밟으면 저전력 블루투스 모듈을 작동시킬 정도의 전력을 발생하는 소자가 개발됐다. 버려지는 에너지를 수집해 전기로 전환시키는 일종의 ‘에너지 하베스팅’ 기술로, 고용량 이차전지나 사물인터넷 웨어러블 기기 등에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
29일 한국과학기술연구원(KIST)은 김상태 전자재료연구단 연구진과 한국과학기술원(KAIST) 육종민 교수팀이 함께 압력이 배터리의 충전과 방전 과정에서 미치는 영향을 밝히고 압력을 가해 충전할 수 있는 리튬이온 배터리 소자를 개발했다고 밝혔다.
최근 에너지를 대량으로 저장하기 위한 고용량 리튬합금 배터리 개발이 많은 주목을 받고 있다. 하지만 이 배터리들은 충전과 방전 과정에서 발생하는 압력으로 용량이 급격히 떨어지고 부피도 변하는 문제가 있다. 연구자들은 압력이 배터리에 미치는 영향을 규명하려는 시도들을 계속해왔지만, 압력으로 인한 변화가 나노 단위에서 일어나는 탓에 관찰과 측정이 쉽지 않았다.
연구팀은 고용량 리튬합금 전극 물질인 주석을 활용해 압력이 배터리에 미치는 영향을 나노 단위에서 실시간으로 직접 관찰‧해석했다. 그래핀 액상 투과전자현미경을 사용해 전극 충전 시 압력에 의한 방전 현상을 관찰했다. 모델링을 통해 배터리 전극 내 압력 차이를 예측하고 그에 따른 전기화학 에너지 차이가 리튬 이온의 이동과 방전의 구동력임을 알아냈다.
사람의 밟는 움직임과 같은 압력으로 리튬을 이동시켜 충전하는 배터리를 구성할 수 있게 된 것이다. 연구진은 구부리거나 밟는 등 외부에서 힘을 줄 때 충전되는 배터리 소자를 개발해 테스트를 진행했다. 그 결과 성인 남성 1명이 밟았을 때 약 0.5㎃ 정도의 전력이 발생했다. 4명이 밟는다고 가정하면 약 2㎃ 정도의 전력이 발생하는데, 이는 저전력 블루투스 모듈이 부착된 센서를 구동하는 것이 가능한 수준이다.
김상태 KIST 박사는 “이번 연구결과는 기계에너지를 전기화학 에너지로 저장하도록 한 성과”라며 “IoT 센서 등 고효율 에너지 하베스터 설계에 도움될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 최신호에 실렸다.
