충전속도 1000배 빠른 수직형 수퍼커패시터 전극 개발

국내 연구진, '수직 구조' 그래핀 플레이크 이용해 개발성공

(서울=뉴스1) 김현아 기자 =

수직 구조체 그래핀 플레이크 전극필름 제조방법 모식(미래창조과학부 제공). © News1

분말 형태의 수평구조 그래핀보다 충전속도가 1000배나 빠른 수직형 수퍼 커패시터 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼, 차세대 에너지 저장장치 연구에 새로운 장이 열렸다.

16일 이효영 성균관대학교 화학과 교수, 윤여흥 박사 연구팀은 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업 과제의 하나로 진행한 연구에서 고성능 수퍼 커패시터 기술을 개발했다고 밝혔다.

수퍼 커패시터는 2차전지를 잇는 차세대 에너지 저장장치로 리튬이온 전지에 비해 높은 출력을 보여 전기자동차, 하이브리드 자동차, 풍력발전기 등의 배터리용 소재로 적합하다. 높은 비표면적과 전도성을 갖는 소재를 전극으로 사용하기 때문에 전해질 이온들을 흡착(충전) 및 탈착(방전)하는 방식으로 전기를 생산한다. 전해질 이온이 전극 물질에 많이 흡착될수록 많은 전기를 흘려보내는 원리다.

연구팀은 물에 분산된 산화그래핀 플레이크가 수평구조의 필름을 쉽게 만드는 데서 착안해 두루마리 형태의 롤을 만든 뒤 이를 절단해 수직 구조체의 환원그래핀 플레이크 필름전극을 만들었다.

빠른 충·방전을 위해 전극의 균일한 기공을 확보하는 게 관건이다. 연구팀은 롤을 이루는 산화그래핀 플레이크 시트 사이에 탄소나노튜브를 위치하도록 해 시트 사이에 규칙적인 기공을 형성하도록 했다.

이렇게 제조된 수직 구조체의 그래핀 플레이크 전극은 기존 커패시터에 사용되고 있는 분말형태, 수평구조 그래핀에 비해 약 1000배 빠른 충·방전 속도를 보였다. 에너지 저장용량(170 F/cc)은 약 3배 높았으며 전극밀도 또한 기존 활성탄이나 그래핀(< 0.5g/cc) 대비 높은 1.18g/cc를 보였다.

이번 연구 결과는 다른 첨가제나 복잡한 공정 없이 수평이 아닌 수직 구조체를 만들어 이를 규칙적으로 배열, 높은 밀도의 전극을 제조한 것이어서 높은 비표면적을 갖는 그래핀 플레이크의 장점을 그대로 살렸다.

이번에 개발된 충·방전 속도가 모두 빠른 수퍼커패시터 전극 기술을 응용 및 발전시키면 충전 속도는 빠르나 방전 속도는 느려 오래도록 사용할 수 있는 에너지 저장장치 개발이 가능하다. 앞으로 소형 에너지 저장장치, 적은 부피를 요하는 전자기기 또는 전기 자동차, 고속 충전이 필요한 차세대 에너지 저장장치 등에 응용될 것으로 기대된다.

이효영 교수는 "높은 전극밀도를 갖는 수직 구조의 그래핀 플레이크 기술은 고용량 고속의 슈퍼 커패시터, 배터리 충전기 등 차세대 에너지 저장장치 개발에 응용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 미국화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 ACS 나노 4월 2일자 온라인판에 게재됐다.

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