bar_progress

아시아경제 최신 기획이슈

겉과 속, 다 저장되는 물질 나왔다 … UNIST, 신개념 에너지저장 소재 개발

최종수정 2020.11.26 19:39 기사입력 2020.11.26 19:38

댓글쓰기

장지현 교수팀, 페로브스카이트 산화물 전극 소재로 슈퍼커패시터 용량 늘려
ACS Energy Letters 11월 13일 자 온라인 출판 게재
울산과학기술원, 고속충전·고출력 저장장치 개발 탄력

개발된 물질의 전기에너지 저장 원리와 이를 적용한 하이브리드 슈퍼커패시터의 성능 연구그림.

개발된 물질의 전기에너지 저장 원리와 이를 적용한 하이브리드 슈퍼커패시터의 성능 연구그림.



[아시아경제 영남취재본부 김용우 기자] 창고의 담장과 벽, 천장에도 물건을 보관할 수 있을까?


물질의 속과 껍데기를 다 쓰는 저장 물질이 세상에 나왔다. 겉이 차지하는 공간까지 저장소로 활용할 수 있으니 그만큼 용량이 커진다.

물질 표면과 내부에 모두 에너지 저장이 가능한 페로브스카이트(Perovskite) 소재가 개발됐다.


울산과학기술원(UNIST, 총장 이용훈) 에너지화학공학과 장지현 교수팀은 이차전지와 슈퍼커패시터(대용량 전기 저장장치)의 장점을 갖춘 신개념 에너지 저장 장치에 쓸 수 있는 페로브스카이트 산화물 소재를 개발했다.


이 물질을 전극에 코팅하는 간단한 방법으로 웨어러블 디바이스 전원용 유연 슈퍼커패시터 제작에도 성공해 상용화 길이 열렸다.

전이 금속이 용출된 이중층 페로브스카이트 산화물 합성 모식도.

전이 금속이 용출된 이중층 페로브스카이트 산화물 합성 모식도.



덩달아 슈퍼커패시터에 대용량 이차전지의 장점을 더한 고속충전·고출력 만능 전지(에너지 저장장치) 개발이 앞당겨질 전망이다.

슈퍼커패시터는 이차전지와 달리 충전이 빠르고 순간적으로 필요한 전기를 빠르게 뽑아낼 수 있는 전원 장치다. 전극 ‘표면’에 전기에너지를 저장했다가 꺼내 쓰는 방식이다.


수명도 반영구적으로 긴 데다 무게도 가볍다. 아주 작게 만들 수도 있어 사물인터넷이나 웨어러블 디바이스 전원으로 주목받고 있다.


하지만 물질 ‘속’에 전기를 저장하는 리튬이온전지 같은 이차전지보다는 단위 질량당 에너지 저장 용량이 떨어지는 한계가 있다.


연구팀은 물질 표면과 내부에 모두 에너지를 저장할 수 있는 페로브스카이트 산화물 기반 전극 활물질(Active material)을 이용해 슈퍼커패시터의 에너지 저장 능력을 끌어올렸다.


슈퍼커패시터의 에너지 저장방식과 이차전지의 에너지 저장방식을 모두 쓰는 셈이다.


물질 내부의 산소 음이온은 이차전지의 리튬 양이온과 유사한 역할을 해 물질 속에 전기 에너지를 저장하며, 내부에서 흘러나온(용출,Exsolution) 코발트(Co)는 산화과정을 거쳐 슈퍼커패시터 방식으로 표면에 전기에너지를 저장한다.


유니스트 장지현 교수.

유니스트 장지현 교수.



유니스트 강경남 연구원(제1저자).

유니스트 강경남 연구원(제1저자).



제1저자로 연구에 참여한 강경남 UNIST 화학공학과 박사과정 연구원은 “페로브스카이트 산화물 속 코발트가 표면으로 흘러나오는 용출 현상과 페로브스카이트 산화물 내에 산소 음이온이 자유롭게 이동할 수 있는 빈 공간(산소 빈자리 결함, Oxygen vacancy)이 많다는 점에 착안해 새로운 물질을 개발했다”고 설명했다.


이 물질을 전극에 코팅한 플렉서블 슈퍼커패시터는 215.8 Wh/kg (218.54mAh/g)의 단위 질량당 에너지 밀도(단일 전극 시 에너지 저장 용량)를 기록했다.


이는 기존 페로브스카이트 소재를 적용했을 때보다 60% 정도 향상된 수치다. 또 순간 출력을 가늠하는 지표인 전력밀도도 14.8 kW/kg으로 높았다.


이 슈퍼커패시터를 이용해 3.6V의 LED 조명을 켤 수 있었을 뿐 아니라, 이를 구부리거나 비틀어도 안정적인 성능을 유지했다.


장지현 교수는 “이번 연구로 물질의 모든 부분을 에너지 저장에 쓸 수 있다는 것을 증명했다”며 “이를 통해 기존 이차 전지와 슈퍼커패시터의 한계를 보완하고 장점만을 선택해 신개념 에너지 저장장치 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.


장 교수는 “페로브스카이트 산화물을 차세대 전지의 전극 활물질로 활용하는 연구뿐만 아니라, 신개념 에너지 저장법을 적용할 수 있는 새로운 전극 소재 개발도 계속할 것”이라고 했다.


이번 연구는 UNIST 에너지화학과 김건태 교수, 연구지원본부 정후영 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 에너지 분야 국제학술지인 ACS Energy Letters에 표지 논문(Front supplementary cover paper)으로 선정돼 11월 13일 자 온라인으로 출판됐다.


연구 수행은 한국연구재단(NRF) 중견연구자 지원 사업과 온사이트 수소충전소를 위한 광전기화학 수소생산기술 및 시스템 개발 사업 지원으로 이뤄졌다.

ACS Energy Letters 커버 이미지.

ACS Energy Letters 커버 이미지.




영남취재본부 김용우 기자 kimpro7777@asiae.co.kr

<ⓒ경제를 보는 눈, 세계를 보는 창 아시아경제(www.asiae.co.kr) 무단전재 배포금지>

간격처리를 위한 class