GIST, 레독스 슈퍼커패시터 성능 향상 기술 개발

신소재공학과 유승준 교수 연구팀 성과

(사진 왼쪽부터) GIST 신소재공학과 조영훈 박사과정생, 유승준 교수. GIST 제공

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학과 유승준 교수 연구팀이 분자의 크기를 정밀하게 조절해 레독스 슈퍼커패시터(Redox EC)의 성능을 획기적으로 향상할 수 있는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

연구팀은 유기 레독스 분자의 크기를 옹스트롬 단위까지 정밀하게 설계해 다공성 탄소 전극과 효과적으로 반응하도록 최적화했다.

레독스 슈퍼커패시터는 전해질 속에 레독스 활성물질(산화-환원 반응을 할 수 있는 물질)을 넣어 이 물질들이 전자를 주고받으며 추가적인 에너지 저장을 할 수 있도록 한 장치다.

다공성 탄소는 표면에 수많은 미세한 구멍이 뚫려 있는 탄소 소재로, 표면적이 매우 넓고 전기 전도성도 뛰어나다. 전기 에너지를 저장하거나 화학 반응을 촉진하는 데 유리해 배터리, 슈퍼커패시터, 흡착제, 촉매 지지체 등 다양한 분야에서 활용된다.

이를 통해 연구팀은 에너지 밀도가 높고, 자가방전이 적으며, 긴 수명까지 갖춘 고성능 수계(水系) 레독스 슈퍼커패시터를 개발하는 데 성공했다.

기존 슈퍼커패시터는 빠른 충전 속도와 긴 수명이라는 장점이 있지만, 에너지 밀도가 낮아 저장 용량에 한계가 있었다. 이러한 단점을 보완한 레독스 슈퍼커패시터는 전해질에 녹아 있는 레독스 활성물질이 전자를 주고받으며 추가적인 에너지를 저장할 수 있도록 설계된 차세대 기술이다. 그러나 활성물질이 전해질 내에서 자유롭게 확산하면서 자가방전이 발생하고, 고가의 이온교환막에 의존해야 하는 문제로 인해 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 활성물질 분자의 크기를 다공성 탄소 전극의 미세한 기공 구조에 맞춰 정밀하게 설계함으로써, 별도의 이온교환막 없이도 고성능을 구현할 수 있는 새로운 해법을 제시했다.

이 기술의 핵심은 전극과 전해질이 맞닿는 '계면'에서 일어나는 반응에 있다. 기존에는 전극의 기공 크기를 바꾸는 방식으로 계면 반응을 조절했지만, 이 방법은 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 전극 구조를 바꾸기보다, 전해질 내 분자 크기를 조절해 계면 상호작용을 정밀하게 설계하는 방식으로 전환함으로써 제조의 효율성과 성능을 동시에 확보하는 데 성공했다.

연구팀은 전기화학적 특성이 우수한 '바이올로젠(viologen)' 유도체를 다양한 형태로 합성한 뒤, 이를 전극 구조에 정확히 맞도록 조정했다.

실험 결과, 1.4V 기준 82.3Wh/㎏의 높은 에너지 밀도를 달성했으며, 1만번의 충·방전 후에도 초기 성능의 95% 이상을 유지하는 뛰어난 내구성을 확인했다. 충전 후 6시간이 지난 시점에서도 에너지의 88.4%가 남아 있어 자가방전이 거의 없는 것으로 나타났다.

유승준 교수는 "분자 크기를 옹스트롬 단위로 정밀하게 조절해 전극의 미세기공 구조와 완벽하게 맞물리는 최적의 전해질-전극 조합을 구현했다"며 "이번 연구는 레독스 슈퍼커패시터의 성능을 좌우하는 핵심 원리를 새롭게 규명한 성과다"고 설명했다.

호남취재본부 민찬기 기자 coldair@asiae.co.kr