다아라 매거진 _ 2017.08

기술뉴스

[Technical News] 환원된 산화그래핀 ‘돌돌’말아 고성능 에너지 저장 장치 개발

리튬이온전지보다 전력밀도 15배 우수해

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산화철 입자가 캡슐화된 환원된 산화그래핀 스크롤 합성성 및 관찰 이미지


체적 에너지 밀도를 향상시키기 위한 대표적인 방법은 환원된 산화그래핀 전극의 충전밀도(Packing density)를 높이는 것이다. 환원된 산화그래핀 시트를 단순히 조밀하게 쌓으면 쉽게 충전밀도를 향상시킬 수 있지만 이 방법은 전해질이 환원된 산화그래핀 시트의 내부 공간 영역까지 접근하기 어려워 소자의 체적 에너지 밀도를 감쇠시킨다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 장재형 소장(광주과학기술원 차세대에너지연구소) 연구팀이 “기존의 그래핀 전극보다 에너지 저장밀도가 2~3배 높고, 리튬이온전지 대비 전력밀도가 15배 우수한 고성능 하이브리드 슈퍼커패시터 기술을 개발했다”고 밝혔다.
산화철 입자가 캡슐화된 환원된 산화그래핀 스크롤 샘플의 구조적, 화학적 특성 분석을 통해 전기화학적 성능의 최적화를 갖는 직경 3 나노미터(nm) 크기의 기공이 균일하게 분포됨을 확인했고 이 산화철 입자가 캡슐화된 스크롤이 기존에 환원된 산화그래핀(0.5g/cm3)에 비해 약 2배의 충전밀도(1.05g/cm3)와 49.66Wh/L의 높은 체적 에너지 밀도를 보임을 확인했다.

또한 산화철은 전해질과 효과적으로 반응해 전극 전도도를 증가시켜 7, 614W/L의 높은 전력밀도를 갖게 했다. 그리고 확장 가능한 내부 공간을 가져 이온의 삽입/추출 과정에서 발생하는 부피 팽창/수축에 안정한 구조를 제공할 수 있는 스크롤 구조를 이용해 1만 회 이상의 뛰어난 충·방전 사이클 안정성을 확보했다.

초고속 충·방전 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 산화그래핀을 단순히 쌓게 되면 이온이 환원된 산화그래핀 내부 영역까지 접근하지 못하기 때문에 이온이 흡착하는 면적이 줄어 전지의 성능이 떨어진다.

이에 비해 환원된 산화그래핀을 두루마리 모양으로 돌돌 말게 되면 나노스크롤의 끝부분과 모서리는 열린 상태가 돼 이용할 수 있는 표면적이 최대화되고 이에 따라 이온과 반응하면 면적이 늘어난다.

장재형 교수는 “이 연구는 별도의 첨가제나 복잡한 공정이 없어도 충전밀도가 높고, 에너지 밀도가 높은 하이브리드 슈퍼커패시터를 개발한 것이다. 이는 차세대 소형 에너지 저장 장치 기술로서 향후 트램 웨이, 전기 자동차, 모바일 전자기기 등과 같은 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

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