낮에는 햇빛용, 밤에는 실내조명용으로 조합을 바꿔 온종일 충전해 쓸 수 있는 모듈형 광충전 배터리가 나왔다. 실내외 장소에 구애받지 않고 빛으로 배터리를 충전해 쓰는 분산형 전원 시대가 앞당겨질 것으로 기대된다.

UNIST 화학과 권태혁 교수팀은 영국 케임브리지대학교 마이클 드 볼더 교수팀과 함께 낮과 밤용으로 조합을 바꿔 쓸 수 있는 모듈형 광충전 배터리 구조를 개발했다고 2일 밝혔다.

광충전 배터리는 태양전지로 만든 전기가 곧장 배터리로 들어가 충전되는 장치다. 전기를 만드는 장치와 전기를 저장하는 배터리가 하나의 장치안에 있는 셈이다. 외부 전력선 없이 주변 빛으로 스스로 충전할 수 있어, 전선을 연결하기 어렵거나 배터리를 자주 교체하기 힘든 사물인터넷 기기와 무선 센서용 독립 전원으로 주목받는 기술이다. 

연구팀이 개발한 모듈형 광충전 배터리는 배터리 모듈은 그대로 두고 태양전지 모듈만 빛의 세기에 맞춰 바꿔 쓸 수 있다. 낮에는 햇빛용 모듈을, 밤에는 약한 빛을 받아도 높은 전압을 내는 실내조명용 모듈을 연결하는 식이다. 배터리에는 대용량 소재인 고체 리튬인산철(LFP) 양극과 리튬금속 음극을 적용했다.

실험 결과, 햇빛용 모듈을 적용한 리튬금속 배터리는 표준 태양광 조건에서 10분 만에 70%까지 충전됐으며 방전 에너지밀도는 327.8mWh/g을 기록했다. 실내조명용 모듈도 사무실 밝기인 1,000럭스에서 빛만으로 충전한 뒤 전기를 내보냈다. 배터리를 사용하면서 빛을 비추자 빛이 없을 때보다 사용할 수 있는 용량도 늘었다.

이 같은 성능은 배터리의 저장량뿐만 아니라 충전에 필요한 전압까지 맞출 수 있는 구조 설계 덕분이다. 배터리를 물탱크에 비유하면 저장 용량은 탱크의 크기, 충전 전압은 물을 밀어 넣는 수압과 같아서 저장 용량이 큰 배터리도 태양전지에 오는 전기의 전압이 맞지 않으면 충전이 되지 않는다.

개발된 모듈형 광충전 배터리는 연결 위치만 바꿔 배터리에 충전에 필요한 만큼 태양전지 전압을 높일 수 있는 구조다. 리튬인산철 양극이 들어 있는 광충전 배터리 칸 1개 옆에 전압을 보태는 태양전지 칸 4개를 직렬로 붙여, 1칸·3칸·5칸의 전압을 골라 쓰는 방식이다. 높은 전압이 필요한 리튬금속 배터리를 충전할 때는 5칸을 모두 연결했다.

제1저자인 UNIST 화학과 김병만 박사는 “태양전지 칸 수와 소재를 바꿀 수 있는 모듈 설계로 배터리 소재마다 다른 충전 전압에 맞춰 충분한 광충전 추진력을 확보했다”며 “현재 배터리 산업에서 쓰이는 다양한 소재에도 적용할 수 있어 향후 광충전 배터리 개발의 설계 전략으로 활용될 것”이라고 말했다.

권태혁 교수는 "이번 연구로 실내외 빛 조건에 맞춰 배터리를 안정적으로 충전할 수 있는 구조를 확보해 광충전 이차전지 상용화의 큰 문턱을 넘었다"며 "전력선 연결이나 주기적인 배터리 교체가 까다로운 사물인터넷(IoT) 기기의 유지보수 비용 문제를 해결할 수 있는 기술이 될 것"이라고 기대했다. 

이번 연구는 에너지 저장 분야의 권위 학술지인 에너지 스토레지 머터리얼즈( Energy Storage Materials) 8월호에 출판됐다. 연구 진행은 ㈜한국전력공사(KEPCO)와 영국 연구혁신기구(UK Research and Innovation)의 지원으로 이뤄졌다.