국립공주대학교 연구팀이 차세대 에너지저장장치인 슈퍼커패시터의 성능을 끌어올릴 원리를 찾아냈다고 5일 밝혔다.
전극 내부에 전하를 저장하는 물질을 무조건 많이 채우는 것보다, 나노 크기의 기공(구멍)들이 3차원으로 어떻게 연결돼 있는지가 성능을 좌우한다는 사실을 입증했다.
임진형 공주대 신소재공학부 교수 연구팀은 김지만 성균관대 교수 연구팀과 공동으로 다공성 전극의 나노기공 연결성과 전하저장 성능 간의 상관관계를 규명했다.
슈퍼커패시터는 이온 흡착이나 산화·환원 반응을 통해 에너지를 저장하는 장치로, 짧은 시간에 많은 전력을 공급하며 충·방전 속도가 빠르고 수명이 길어 미래형 에너지 소자로 꼽힌다.
전하저장 성능을 높이려면 전해질 이온이 전극 내부 물질(전도성 고분자)에 원활하게 접근하는 것이 필수적이다. 연구팀은 이를 확인하기 위해 유동층 반응기 기반 동적 증기상 중합(D-VPP) 공정을 활용, 화학적 조성은 비슷하지만 기공 구조가 각기 다른 4종의 메조다공성 실리카에 전도성 고분자를 도입해 비교 분석했다.
그 결과, 기공들이 3차원으로 얽혀 이중연속 구조를 띤 'KIT-6' 소재가 한 방향으로만 배열된 'MCM-41' 소재보다 전하저장 성능이 약 6배 높게 나타났다. 특히 고성능을 낸 KIT-6의 고분자 함량(2.79 wt%)은 성능이 낮았던 MCM-41(5.27 wt%)의 절반 수준에 불과했다.
단순히 고분자를 많이 도입한다고 성능이 오르는 것이 아니라, 이온이 여러 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 '통로(연결성)'를 확보하는 것이 반응 효율을 극대화하는 열쇠임이 확인된 셈이다.
제1저자인 조영휘 국립공주대 박사과정생은 "3차원으로 연결된 기공이 이온 이동과 고분자 활용도를 높인다는 점을 확인했다"며 "향후 다양한 온도 환경에서의 특성까지 연구를 넓혀 고성능 에너지저장 소재 개발에 기여하겠다"고 밝혔다.
임 교수는 "도입된 고분자의 '양'보다 실제 전하저장 반응에 얼마나 효과적으로 참여할 수 있는가 하는 '활용성'이 중요하다는 점을 규명한 연구"라고 평가했다.
이번 연구 결과는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 국립공주대 글로컬대학30 사업의 지원을 받아 수행됐다.