박찬호(왼쪽부터) GIST 화학과 교수, 조영훈 신소재공학과 박사과정생, 유승준 신소재공학과 교수, 김종경 GIST 화학과 졸업생.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 빠른 충·방전 속도와 긴 수명, 에너지 저장량을 획기적으로 높인 차세대 슈퍼커패시터 기술을 개발했다.

광주과학기술원(GIST)은 화학과 박찬호 교수와 신소재공학과 유승준 교수 공동연구팀이 전극과 전해질 사이의 계면에서 일어나는 상호작용을 정밀하게 제어함으로써 레독스 슈퍼커패시터의 에너지 저장 성능을 크게 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.

기존 레독스 슈퍼커패시터는 에너지 밀도를 높이기 위해 전해질 속 레독스 활성물질의 농도를 높이는 방식이 주로 사용됐다. 그러나 이 방법은 활성물질이 전극 사이를 자유롭게 이동하며 에너지가 새어 나가는 자가방전 현상을 유발하고, 충·방전 효율(쿨롱 효율)도 떨어뜨리는 단점이 있었다.

연구팀은 펜틸바이올로젠(pentyl viologen, PV)과 브로마이드(bromide, Br)를 각각 음극과 양극의 전해질로 사용하는 듀얼 레독스 시스템을 도입했다. 두 물질은 충·방전 과정 중 고체 화합물을 형성하며 자가방전을 억제하고, 에너지 손실을 최소화하는 효과가 있다.

또 레독스 활성물질이 효과적으로 흡착되고 확산될 수 있도록, 미세기공(2 nm 이하)과 중형기공(2~50 nm)이 적절히 분포된 다공성 탄소 전극을 개발해 전극과 전해질 사이 계면의 반응을 극대화했다.

이 시스템은 PV를 음극 전해질, 브로마이드를 양극 전해질로 사용하여, 두 물질이 함께 반응하면서 에너지 저장 효율을 높이는 방식이다.

이 탄소 전극을 PV/Br 기반 레독스 슈퍼커패시터에 적용한 실험 결과, PV 분자의 흡착량이 에너지 밀도에 중요한 영향을 미친다는 사실과 함께, 2~10 nm 크기의 중형기공이 PV 분자의 흡착과 확산에 가장 효과적임을 확인했다.

연구팀은 전해질 농도를 최대로 높이고 비표면적 3,309 m2/g, 기공 부피 2.38 cm3/g의 탄소 전극(K1.5_TO)을 사용, 수계 레독스 커패시터 시스템에서 125 Wh/kg라는 높은 에너지 밀도를 안정적으로 구현했다.

박찬호 교수는 “이번 연구는 전극과 전해질 계면에서의 물질 상호작용을 정밀하게 제어함으로써, 레독스 슈퍼커패시터의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 입증한 사례”라며 “고성능 수계 에너지 저장장치 개발에 새로운 방향성을 제시할 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 ‘스몰(Small)’에 4월 28일 온라인 게재됐다.