햇빛 없으면 조명으로 충전…UNIST, 24시간 광충전 배터리 개발

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 낮에는 햇빛으로 충전하고 밤에는 실내조명으로 충전할 수 있는 '모듈형 광충전 배터리'가 개발됐다. 외부 전력선이나 배터리 교체 없이 사물인터넷(IoT) 기기를 구동할 수 있는 독립 전원 기술로 활용될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST)은 화학과 권태혁 교수팀이 영국 케임브리지대학교 마이클 드 볼더 교수팀과 공동으로 빛의 세기에 따라 태양전지 모듈을 바꿔 사용할 수 있는 광충전 배터리 구조를 개발했다고 2일 밝혔다.

광충전 배터리는 태양전지가 빛을 전기로 바꾸는 기능과 배터리가 전기를 저장하는 기능을 하나의 장치에 결합한 기술이다.

하지만 기존 광충전 배터리는 햇빛이나 실내조명처럼 빛의 세기가 달라지면 충전에 필요한 전압을 확보하기 어려워 충전 속도가 떨어지거나 충전이 중단되는 문제가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 배터리 본체는 그대로 두고, 빛의 세기에 맞춰 태양전지 모듈만 교체할 수 있는 구조를 만들었다.

배터리 셀 옆에 태양전지를 직렬로 연결해 필요에 따라 1개, 3개, 5개의 모듈을 선택할 수 있도록 했다. 빛이 강할 때는 적은 수의 모듈을 사용하고, 상대적으로 약한 빛에서는 더 많은 모듈을 연결해 충전에 필요한 전압을 확보하는 방식이다.

배터리 자체의 성능도 높였다.

연구팀은 기존 액체 전해질 방식 대신 분리막이 필요 없는 고체 리튬인산철(LFP) 양극과 리튬금속 음극을 적용해 에너지 저장 성능을 높였다. 또 햇빛과 실내조명처럼 서로 다른 빛 환경에서도 효율적으로 전기를 전달할 수 있도록 각각 다른 전하 수송 소재를 적용했다.

실험 결과 햇빛용 모듈을 적용한 리튬금속 배터리는 표준 태양광 조건에서 10분 만에 70%까지 충전됐다. 방전 에너지 밀도는 327.8mWh/g을 기록했다.

일반적인 사무실 수준인 1000럭스(lx)의 실내조명 아래에서도 외부 전력 공급 없이 충·방전이 가능한 것으로 확인됐다. 전력을 사용하는 동시에 빛을 비추면 배터리의 실제 사용 가능한 용량이 증가하는 현상도 나타났다.

연구팀은 이번 기술이 무선 센서와 IoT 기기 등에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 건물 내부에서 사용하는 각종 센서에 실내조명을 전원으로 활용하면 배터리를 주기적으로 교체해야 하는 번거로움을 줄일 수 있다는 설명이다.

김병만 UNIST 박사는 "빛의 세기에 따라 태양전지 모듈의 개수와 소재를 조절해 배터리에 필요한 최적의 충전 조건을 확보했다"며 "현재 상용화된 다양한 배터리 소재에도 적용할 수 있는 설계 방식이 될 수 있다"고 말했다.

권태혁 UNIST 교수는 "실내와 실외의 다양한 빛 환경에서 안정적으로 충전할 수 있는 구조를 구현했다"며 "배터리 교체가 어려운 IoT 기기의 유지보수 비용을 줄이는 데 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 에너지 저장 분야 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)' 8월호에 게재됐다. 연구는 한국전력공사와 영국 연구혁신기구(UKRI)의 지원을 받아 수행됐다.


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