인하대, 구조·에너지 저장 결합한 차세대 ‘구조전지’ 개발

아연 기반 복합소재로 안전성·내구성 확보…전기차·드론 경량화 기대

인하대 전경 ⓒ 인하대 제공

구조물 자체가 배터리 역할을 수행하는 차세대 에너지 저장 기술이 개발됐다.

별도의 배터리를 장착하는 데 따른 무게와 공간 부담을 줄일 수 있어 미래 모빌리티와 스마트 물류 분야의 활용 가능성이 주목된다.

인하대는 강태준 기계공학과 교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대, 한국전자통신연구원과 함께 하중을 견디면서 전기를 저장하는 구조전지 복합재를 개발했다고 27일 밝혔다.

이번 연구의 핵심은 구조물의 강도와 에너지 저장 성능을 하나의 소재에 결합한 것이다. 연구팀은 물을 기반으로 한 전해액을 사용하는 아연이온 하이브리드 슈퍼커패시터를 고강도 복합재에 통합해 구조적 안정성과 전기 저장 기능을 동시에 확보했다.

구조전지는 전기차 차체나 드론 날개처럼 외부 힘을 견뎌야 하는 부품에 에너지 저장 기능을 더하는 기술이다. 별도 배터리의 의존도를 낮출 수 있어 제품 경량화와 공간 활용도 개선에 도움이 될 수 있다.

물류 현장에서는 운송용 상자에 적용해 물품을 보호하면서 온도·습도 감지 센서에 필요한 전력을 공급하는 방식도 가능하다.

연구팀은 기존 리튬이온 기반 구조전지의 한계를 보완하기 위해 아연을 활용한 수계 전해질 시스템을 채택했다. 유기 전해액의 가연성에 따른 위험을 줄이는 동시에 원료 가격과 공급 안정성 측면에서도 이점을 확보하려는 접근이다.

소재의 성능을 높이는 과정에서는 전극 구조와 내부 결합 방식이 중요한 역할을 했다.

탄소 전극막을 여러 층으로 쌓아 열과 압력으로 접합함으로써 전극에 담기는 활물질의 양을 늘렸고, 아라미드 나노섬유를 전해질 층에 적용해 소재 사이의 결합력을 강화했다.

이를 통해 반복적인 힘이 가해져도 내부 층이 쉽게 분리되지 않도록 설계했다.

실험에서는 500회 충·방전을 진행한 뒤에도 초기 에너지 저장 성능의 76%가 유지됐다.

소재의 인장강도는 114MPa, 탄성계수는 2.8GPa로 측정됐다. 인장과 굽힘 하중을 각각 100회 반복한 시험에서도 초기 전기용량의 80% 이상을 유지해 기계적 하중과 에너지 저장 기능을 함께 고려한 소재의 가능성을 입증했다.

연구에는 최유승 인하대 기계공학과 석·박사통합과정생과 신길용 박사후연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 실렸으며, 표지논문으로 선정됐다.

강태준 교수는 “이번 성과가 안전성과 경제성을 고려한 구조전지 원천기술을 확보했다는 데 의미가 있다”며 “전기차와 드론의 경량화뿐 아니라 센서 기반 스마트 물류 시스템에도 활용될 수 있을 것”이라고 전망했다.

연구는 한국연구재단과 한국산업기술진흥원, 농촌진흥청, 우주항공청, 한국전자통신연구원 등의 지원으로 수행됐다.

연구팀은 과학기술사업화진흥원의 딥사이언스 창업 활성화 지원사업을 바탕으로 후속 기술 개발과 사업화에도 나설 계획이다.