Functional Energy Materials Laboratory

신원호 교수팀(전자재료공학과)은 에너지 저장 시스템에서 기존의 유기물 기반 전해질의 치명적인 단점인 화재 위험성을 극복한 수계 전해질 슈퍼커패시터의 전극 소재 기술을 개발했다.

수계전해질 슈퍼커패시터는 수화된 상태로 존재하는 전해질 염의 양이온(Li+, Na+)과 물과 함께 존재하는 음이온(OH-, SO42-)을 이온 전도체로 활용할 수 있다는 점에서 산화/환원 반응 뿐 아니라, 흡/탈착 반응 등 다양한 전기화학 반응을 통하여 에너지를 저장하는 메커니즘을 가지고 있다.

본 연구팀은 고에너지밀도를 달성하기 위해 요구하던 높은 비표면적의 나노 소재를 금속 양이온의 화학적 배위와 자가조립 합성법을 통하여 손쉽게 합성하였고, 합성된 구조는 나노-마이크로 크기의 꽃과 같은 형상을 띄고 있어, 높은 전기화학 활성 상태를 제공해 높은 용량의 구현이 가능하다.

기존의 카본 계열의 소재에서 더 높은 용량을 얻기 위해서는 산화/환원 반응이 가능한 산화물계 소재가 필요하며, 본 연구에서는 값싼 산화망간 소재와 그래핀을 복합화하여 슈퍼커패시터 전극 소재를 개발하였다. 합성된 구조는 질소가 도핑된 그래핀 매트릭스 위에 꽃과 같은 형상의 산화망간이 분포되어, 이는 양이온의 높은 이온 전도를 위한 다공성 채널이 존재할 뿐 아니라, 높은 전기전도성의 그래핀을 기반으로 우수한 전하전달특성을 가지고 있는 구조체이다.

본 연구팀이 제작한 나노 복합체는 양극(Cathode) 활물질로 적용되고, 음극(Anode) 활물질로는 상용화 소재인 활성탄(Activated carbon)을 이용하여 전체 셀이 제작되었다. 셀 내부에서 일어나는 전기화학 반응으로는 양극의 ‘질소 도핑된 그래핀-산화망간’에서는 표면의 이온 흡/탈착을 통한 산화/환원 반응이 일어날 뿐 아니라, 이온의 물리적 흡/탈착을 통한 전기이중층 생성을 통한 하이브리드 커패시터의 특성을 보여준다. 이는 이론적으로 한계에 도달해온 슈퍼커패시터의 낮은 에너지 밀도를 극복할 수 있는 소재의 혁신으로 보여줄 수 있다.

본 연구팀이 제작한 ‘질소 도핑된 그래핀-산화망간’ 활물질을 이용한 수계전해질 기반의 하이브리드 커패시터는 36 kW/kg의 높은 에너지밀도를 보여주며, 높은 쿨롱효율(>99.7%)을 기반으로 10,000회 사이클 동안에도 90% 이상의 높은 용량유지를 구현하였다. 앞서 언급한 특성은 에너지 저장 장치로의 적용에 있어서 가장 중요한 요소이고, 앞으로 ESS, 전기차 및 전자기기 등에 폭 넓게 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 한국연구재단 기본연구(NRF-2020R1F1A1071311)와 차세대 전력반도체 인력양성사업(P0012451)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고 수준의 나노소재, 화학 분야 국제 학술지인 영국왕립화학회의 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A, IF: 12.732)’에 게재 및 커버 이미지로 선정되었다.

Web link: https://doi.org/10.1039/D1TA10459D