산화그래핀 스크롤을 이용한 하이브리드 슈퍼커패시터는 기존의 에너지 저장 장치보다 2~3배 높은 49.66 Wh/L의 체적 에너지 밀도와 47.3 Wh/kg의 중량 에너지 밀도를 가졌다. /사진제공=한국연구재단소형 전자기기에 적합한 에너지 저장 장치가 개발됐다.
한국연구재단은 장재형 광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소 소장 연구팀이 “기존의 그래핀 전극보다 에너지 저장밀도가 2~3배 높고, 리튬 이온 전지 대비 전력밀도가 15배 우수한 고성능 하이 브리드 슈퍼커패시터 기술을 개발했다.”고 25일 발표했다.
연구팀이 개발한 하이브리드 슈퍼커패시터 전극은 49.66 와트아워퍼리터(Wh/L)의 체적 에너지 밀도를 가지고 있다. 이는 기존 그래핀을 이용한 전극에 비해 체적 에너지 밀도가 2~3배 이상 높다. 이 전극의 전력 밀도는 7,614 W/L로 리튬이온전지가 가진 500 W/L에 비해 15배가 높다. 1만 번 이상 충·방전이 가능할 정도로 안정성이 높다.
수많은 충·방전으로 기능을 잃지 않으면서 우수한 에너지 밀도와 전력밀도를 나타낸 것은 환원된 산화그래핀을 돌돌 말아서 형성한 나노스케일 두루마리구조(나노스크롤)에 있다고 연구팀은 설명했다.
단층 판 모양의 환원된 산화 그래핀을 단순히 쌓게 되면 이온이 산화그래핀 내부 영역까지 접근하지 못하기 때문에 전지의 성능이 떨어진다.
이에 비해 환원된 산화그래핀을 두루마리 모양으로 돌돌 말게 되면 나노스크롤의 끝 부분과 모서리는 열린 상태가 되어 이용할 수 있는 표면적이 최대화되고 이에 따라 이온과 반응하는 면적이 늘어난다. 또한 기공(구멍)이 균일하게 배열되어 이온이 내부까지 원활하게 이동하고 직경 3 나노미터(nm)의 기공 크기는 이온의 이동 및 확산에 적합하여 최적의 전기화학적 성능을 나타낸 것이다.
장재형 교수 “별도의 첨가제나 복잡한 공정이 없어도 충전밀도가 높고, 에너지 밀도가 높은 하이브리드 슈퍼커패시터를 개발했다”면서 “전기자동차, 휴대전자 기기 등에 필요한 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말했다.
미래창조과학부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 산업통상자원부 산업기술혁신사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 미국화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스에 지난달 14일자에 게재됐다.
장재형 GIST교수/사진제공=한국연구재단
자날드하난 라니 GIST 박사/사진제공=한국연구재단
