국내연구진 충^방전이 빠른 고성능 수퍼 커패시터 전극 개발

리튬 이온배터리를 이을 차세대 에너지 저장장치인 슈퍼 커패시터가 국내 연구진에 의해 한 단계 업그레이드됐다.

미래창조과학부는 성균관대 화학과 이효영 교수와 윤여흥 박사가 그래핀 플레이크를 수직으로 세워 충전속도가 1000배 이상 빠른 고성능 슈퍼 커패시터기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

슈퍼 커패시터는 양 전극에 전압을 걸어 전해질 이온의 확산에 따라 전극표면에 형성된 전기 이중층에서의 충·방전을 이용한 에너지 저장장치다. 전해질 이온이 전극 물질에 많이 흡착될수록 많은 전기를 흘려보낼 수 있기 때문에 일반적으로 높은 비표면적의 탄소 전극 소재를 요구한다. 그래핀 플레이크는 전극이 높은 비표면적과 전도성을 가져 에너지 저장장치로 적합하다.

그러나 전극밀도가 낮아 저장 장치의 부피가 커지는 것과 더불어 수평 구조로 인한 충방전 속도가 느린 것이 단점이다.

이에 연구팀은 물에 분산된 산화그래핀 플레이크가 수평구조의 필름을 쉽게 만들 수 있다는 점에 착안, 두루마리 형태의 롤을 제조하고 이를 절단하여 수직 구조체의 환원그래핀 플레이크 필름전극을 만들었다.

다른 첨가제나 복잡한 공정 없이 수직 구조체를 만들고 이를 규칙적으로 배열해 높은 밀도의 전극을 제조, 높은 비표면적을 갖는 그래핀 플레이크의 장점을 살렸다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀에 따르면 수직 구조체의 그래핀 플레이크 전극의 경우 기존 커패시터에 사용되고 있는 분말형태나 수평구조 그래핀에 비해 약 3배의 에너지 저장용량을 나타냈으며 충·방전 속도가 1000배 이상 빨랐다.

전극밀도 역시 기존 활성탄이나 그래핀 대비 두배 이상 높았다.

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

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 한국전자통신연구원의 지원으로 수행됐으며 연구결과는 미국화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 'ACS 나노' 4월 2일자 온라인 판에 게재됐다.

[e-mail] 김혜민 기자