국내 연구진이 기존보다 저렴한 소재로 효율을 높인 산업용 반영구 배터리를 개발했다.
대구과학기술원(DGIST) 에너지공학과 인수일 교수팀은 충전이 필요없는 반영구 차세대 배터리 '양방향 탄소동위원소 염료감응 베타전지'를 개발했다고 2일 밝혔다. 연구팀은 이번에 개발한 기술이 우주, 심해, 의료, 전기차 등 다양한 방면에서 미래 시장 선도를 위한 관련 소재 및 장비의 주도권 확보로 미래 먹거리의 핵심기술로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
사물인터넷(IoT), 인공지능(AI) 등으로 대표되는 4차 산업이 빠르게 성장하면서 이를 활용하기 위한 플랫폼의 에너지원인 배터리 기술 중요성이 더욱 부각되고 있다. 그러나 배터리 원자재인 리튬과 니켈 가격 상승, 발열 및 내구성에 따른 안전성 문제 등 현재 상용화 중인 배터리 기술에는 한계가 있어 차세대 배터리 개발 필요성이 대두되고 있다.
최근 차세대 배터리로 '베타전지'가 주목받고 있다. 베타전지는 방사성동위원소에서 방출되는 베타선 전자가 방사선 흡수체인 반도체에 충돌하면서 전력을 생산하는 장치로 '원자력전지'로도 불린다. 외부 동력원이나 교체과정 없이도 자체 전력 생산이 가능하고, 방사성동위원소의 긴 반감기 덕분에 반영구적인 수명을 갖기 때문에 전지 충·방전이 어려운 의료, 국방, 항공우주, 해양, 원전, 로봇 등 여러 특수분야에 활용될 수 있다. 다만 소재 단가, 복잡한 제작공정 및 기술 등 많은 제약이 있어 개발에 어려움이 있다.
이에 연구팀은 저렴하면서도 고효율의 베타전지인 '양방향 탄소동위원소 연료감응 베타전지'를 개발했다. 연구팀은 베타전지에서 방사선흡수체로 활용되는 값비싼 반도체 물질 대신 루테늄 계열의 'N719 염료'와 '방사성동위원소 시트르산', '이산화타이타늄'을 활용했다. 시트르산을 탄소동위원소 나노입자로 합성해 에너지 밀도를 높이고, N719 염료와 이산화타이타늄 사이에 시트르산을 추가해 강한 결합을 형성해 높은 에너지 전환과 안전성을 확보했다.
연구팀이 개발한 베타전지는 방출하는 전자 대비 6만5850배의 전자를 생성하며, 100시간동안 안정적으로 전력을 생산하는 것으로 확인됐다. 이는 2020년 연구팀에서 개발한 베타전지에 비해 전력변환효율이 6배, 안정성은 10배 상승한 셈이다.
인 교수는 "이번 연구를 통해 값싼 염료를 적용한 새로운 형태의 베타전지를 개발했다는 점에 의의가 있다"며 "향후 기술 상용화를 위해 원자력전지의 양산설계 및 대량생산 관련 후속 연구를 하겠다"고 밝혔다.
이번 연구결과는 전기·전자공학 국제학술지 '저널 오브 파워소스'에 지난달 25일자 온라인에 게재됐다.
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