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| △ 2차원 나노시트를 이용한 3차원 하이브리드 나노구조체 조립 과정 및 전하저장 메커니즘의 모식도. (a) 2차원 나노시트로부터 3차원 계층적 구조를 가진 하이브리드 나노구조체를 만드는 과정 (b) 동일한 조성의 2차원 하이브리드 나노시트는 긴 이온전달 통로로 인한 확산제어로 슈퍼커패시터 거동을 보여줄 수 없지만, 2차원 나노시트를 3차원 나노구조체화한 소재는 나노구조화에 의한 빠른 충방전 속도를 보여주는 슈퍼커패시터 거동을 보여줄 수 있음. |
'충전속도 10배, 용량 2배' 초고용량 축전지 소재 개발
성균관대 박호석 교수 "전기차·스마트그리드용 슈퍼커패시터 소재로 활용"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 기존 배터리보다 충전속도는 10배 이상 빠르고 충전용량은 그래핀 소재보다 2배 이상 큰 초고용량 축전지(슈퍼커패시터) 신소재를 개발했다.
성균관대 화학공학과 박호석 교수팀은 6일 전이금속과 황으로 이뤄진 층상 무기화합물을 2차원 나노시트로 만들어 한 장씩 쌓는 방식으로 기존 리튬이온전지보다 10배 이상 빠르게 충·방전하고 충전 용량은 그래핀의 2배 이상인 슈퍼커패시터용 신소재를 만들었다고 밝혔다.
이 연구 결과는 국제저널 '나노 레터스'(Nano Letters, 3월 3일자)에 게재됐다.
슈퍼커패시터는 재래 커패시터와 리튜이온배터리를 연결하는 차세대 저장장치다. 재래 커패시터는 출력밀도는 높지만 에너지밀도는 상대적으로 낮은 반면 리튬이온배터리는 에너지밀도는 높지만 출력밀도가 상대적으로 낮다.
슈퍼커패시터 일종인 전기이중층커패시터는 높은 출력, 빠른 충·방전 속도, 반영구적인 수명 등 장점이 많지만 낮은 에너지밀도로 응용 면에서는 한계가 있었다.
이에 따라 에너지밀도가 높은 고용량 전극 신물질을 개발해 에너지 밀도를 높이는 연구가 활발히 진행됐다.
연구진은 지금까지 배터리 소재로 연구된 층상 화합물에 나노기술을 접목해 이온 확산 및 전하 이동을 촉진, 고출력·고용량의 슈퍼커패시터 소재를 개발했다.
흑연을 단일 층으로 벗겨 내 그래핀을 얻듯이 화학적 박리법으로 전이금속과 황으로 이루어진 수나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 두께의 층상 무기화합물(MoS₂,WS₂) 나노시트를 만들고서 이를 한 장씩 다시 쌓아 2차원 나노시트 골격의 3차원 구조체를 합성했다. 이 3차원 나노구조체는 전기화학적으로 반응하는 2차원 나노시트가 서로 겹치지 않게 단일 장으로 표면을 노출, 이온 확산과 전하 이동이 촉진돼 효율이 높다.
연구진은 이 소재는 기존 슈퍼커패시터의 전극 물질로 쓰이는 그래핀보다 용량이 2배 이상 클 뿐만 아니라 층상 화합물 배터리의 느린 전기화학적 거동을 빠른 슈퍼커패시터 움직임으로 전환해 10배 이상 빠르게 충·방전할 수 있다고 설명했다.
박호석 교수는 "2차원 나노소재를 이용해 슈퍼커패시터용 신소재를 처음 개발하고 분자 수준에서 전하저장 과정을 규명한 첫 연구로 전기차, 스마트그리드용 슈퍼커패시터 개발에 활용될 수 있을 것"이고 말했다.
그는 "실용화를 위해서는 10년 정도의 장기적인 투자가 필요할 것으로 보이지만 그 파급 효과를 고려할 때 원천기술 확보를 위한 정부 차원의 지원이 필요하다"고 말했다.
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