충ㆍ방전 빠른 고성능 수퍼 커패시터 전극 개발

수직 구조 그래핀 플레이크 이용해 기존보다 저장용량과 전극밀도를 2~3배 높여

이효영 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 충전과 방전이 빠른 고성능 수퍼 커패시터 전극을 개발했다.

미래창조과학부는 이효영 성균관대 화학과 교수(교신저자), 윤여흥 박사(제1저자) 연구팀이 학․연협력 연구를 통해 그래핀 플레이크를 수직으로 세워 충․방전이 빠른 고성능 슈퍼 커패시터 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

기술은 빠른 충․방전이 필요한 전기차에 사용될 차세대 에너지 저장장치 개발 등에 기여할 것으로 기대된다.

연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업과 한국전자통신연구원의 지원으로 수행해 미국화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 ACS 나노지 2일자 온라인 판에 게재됐다.

그래핀 플레이크 전극은 높은 비표면적과 전도성을 가져 에너지 저장장치에 적합하나 전극밀도가 낮아 저장 장치의 부피가 커지는 단점을 지녔다.

이를 극복하기 위해 그래핀 플레이크를 압축하거나 첨가물을 넣어 밀도를 높이려는 연구가 있었으나 수평 구조로 인한 느린 충방전 속도를 개선하는 것이 관건이었다.

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

빠른 충․방전을 위해 전극의 균일한 기공 확보가 관건으로 롤을 이루는 산화그래핀 플레이크 시트 사이에 탄소나노튜브를 위치하도록 해 시트 사이에 규칙적인 기공을 형성할 수 있도록 했다.

이렇게 제조된 수직 구조체의 그래핀 플레이크 전극의 경우 기존 커패시터에 사용되고 있는 분말형태나 수평구조 그래핀에 비해 약 3배의 에너지 저장용량(170 F/cc)을 나타냈다.

전극밀도 역시 기존 활성탄이나 그래핀이 0.5 g/cc 이하인 데 비해 높은 1.18 g/cc를 나타냈다.

기술은 다른 첨가제나 복잡한 공정 없이 수직 구조체를 만들고 이를 규칙적으로 배열해 높은 밀도의 전극을 제조하고 높은 비표면적을 갖는 그래핀 플레이크의 장점을 그대로 살릴 수 있어 주목받는다.

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.

수직 구조체 그래핀 플레이크 전극필름 제조방법 모식도. (A)수평 구조로 건조된 산화 그래핀 필름을 (B,C)롤링 공정을 통해 두루마리 형태의 산화 그래핀 롤로 만들고 (D)만들어진 롤 형태로 말린 산화 그래핀을 커터를 사용하여 자르면 (E)결과적으로 수평구조에서 수직구조를 갖게 되는데 (F)이를 열처리를 통해 전도성을 갖는 그래핀 플레이크 전극으로 만들면 (G)전기이중층 커패시터의 전극으로 사용할 수 있게 된다