광주과기원, 전극과 전해질 사이 계면 정밀 제어
빠른 충방전, 긴 수명 유지...높은 에너지밀도 구현
빠른 충·방전 속도와 긴 수명은 유지하면서 배터리에 가까운 수준으로 에너지 저장 성능을 높인 슈퍼커패시터 기술이 나왔다. 향후 고속 충전과 친환경 에너지 산업을 이끌어 가는 차세대 에너지 저장 장치 개발에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.
광주과학기술원(GIST)은 박찬호 화학과 교수와 유승준 신소재공학과 교수 연구팀이 공동으로 전극과 전해질 사이의 계면에서 일어나는 상호작용을 정밀 제어하는 방식으로 레독스 슈퍼커패시터의 에너지 저장 성능을 향상시키는 데 성공했다고 19일 밝혔다.
슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면 간 단순한 이온 이동이나 표면화학 반응에 의한 충전 현상을 이용하는 에너지 저장장치다. 일반 슈퍼커패시터에 비해 단위면적당 수십 배 많은 에너지를 저장할 수 있고, 리튬이온전지와 비교해 고속 충전과 반영구적 수명 등 우수한 특성을 지녀 미래 친환경 에너지 저장장치로 각광받고 있다.
기존 레독스 슈퍼커패시터는 전해질 속 레녹스 활성물질의 농도를 높여 에너지 밀도를 높였는데, 이 과정에서 활성물질이 전극 사이를 자유롭게 이동하며 에너지가 새어 나가 자가방전 현상이 생기고, 충방전효율도 떨어 뜨리는 문제가 있었다.
연구팀은 기공 크기가 각각 2나노미터, 0.19나노미터에 달하는 펜틸바이올로젠(PV)과 브로마이드(Br)를 음극과 양극의 전해질로 사용하는 듀얼 레독스 시스템을 도입해 자가방전을 억제하고, 에너지 손실을 최소화했다. 또한 2나노미터 이하 미세 기공과 2∼50나노미터 중형 기공이 적절히 분포된 다공성 탄소 전극을 개발해 전극과 전해질 사이 계면의 반응을 높였다.
연구팀은 미세 기공을 손상시키지 않으면서 중형 기공의 효율을 효과적으로 늘린 탄소 소재를 전극으로 제작해 PV·Br 기반 레독스 슈퍼커패시터에 적용한 결과, ㎏당 125Wh의 높은 에너지 밀도를 구현했다.
박찬호 GIST 교수는 "전극과 전해질 계면에서의 물질 상호작용을 정밀 제어함으로써, 레독스 슈퍼커패시터의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있었다"며 "앞으로 다양한 고성능 레녹스 전지 개발에 새로운 방향성을 제시할 것"이라고 말했다.
이 연구결과는 국제 학술지 '스몰(지난달 28일)' 온라인에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
