국내 연구팀, 고용량·긴수명 차세대 에너지 저장 소재 개발

100nm 수준의 팔면체의 균일한 크기를 가지는 금속유기결정체 nMOF-867(질소를 가지는 유기 연결체를 함유, 좌측 그림)를 그래핀으로 감싸 유기골격체내에 존재하는 각 단위체에 존재하는 질소와 슈퍼커패시터내의 이온과의 상호작용으로 인해 기존의 탄소 및 그래핀 기반의 슈퍼커패시터에 비하여 월등히 높은 에너지 저장 능력을 보여주고 있다.

[아시아경제 권용민 기자] 미래부는 국내 연구팀이 기존 상용화된 에너지 저장 소재보다 6.5배 성능 향상을 가지면서도 긴 수명을 가지는 새로운 차세대 에너지 저장 소재를 개발했다고 30일 밝혔다.

이번 연구는 기존에 불가능하게 여겨졌던 금속유기물질을 이용해 세계 최초로 슈퍼커패시터 개발에 성공한 사례다. 금속유기물질이 가진 기능적 다양성을 전기 에너지 저장 물질에 적용해 더욱 향상된 성능을 가지는 전기에너지 저장장치 개발의 새로운 길을 열었다.

슈퍼커패시터란 고용량 커패시터, 콘덴서 또는 전해액 커패시터에 비해 월등히 많은 용량을 가지는 에너지저장 디바이스를 나타내는 용어다. 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다.

기존 전기에너지 저장장치(슈퍼커패시터)는 빠른 충방전 속도와 긴 수명에도 불구하고 전기를 저장할 수 있는 양이 상대적으로 적어 독립적인 에너지 저장장치로 쓰이는 데는 한계가 있었다.

이런 단점을 극복하기 위해 탄소나 금속산화물 물질을 표면적이 높은 다공성 물질로 가공하여 저장 가능한 에너지를 높이려는 시도가 계속 돼 왔다.

연구팀은 금속유기구조체를 나노크기로 제작해 그래핀과 함께 하이브리드 인터페이스(서로 다른 두 물질의 경계면에서 상호작용으로 인해 기존에 없던 새로운 기능 창출) 소재를 구현해 나노 금속유기구조체를 활용한 고용량·고출력의 슈퍼커패시터 제작에 성공했다.

24 종류의 금속유기구조체를 유기기능기, 금속작용기, 결정크기 및 기공 크기 등에 따라 각각 다르게 설계하고 각각의 물리 및 화학적 요소가 에너지 밀도와 출력특성, 그리고 사이클 특성의 성능에 미치는 영향을 분석했다.

분석을 바탕으로 최적의 구조를 가지는 금속유기 구조체를 설계·합성해 기존의 상용화가 되고 있는 탄소물질의 6.5배에 이르는 성능을 가지면서 긴 수명(1만번 이상 사이클)의 장점은 그대로 가지는 에너지 저장소재를 개발하는데 성공했다.

연구진은 "이번 성과는 고용량의 에너지 재료로서 기대됐지만 응용이 제한됐던 초다공성 금속유기물질을 사용해 고용량의 에너지 저장장치를 만든 첫 번째 선례"라며 "향후 다양한 기능성을 가지는 새로운 금속유기물질 소재의 디자인을 통해서 초고용량 에너지 밀도와 빠른 충·방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 새로운 원천소재 개발 및 사용에 큰 역할을 할 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 미래부에서 지원하는 글로벌프론티어사업의 '하이브리드인터페이스기반미래소재연구단'의 강정구 교수팀(KAIST)과 최경민 박사(KAIST) 연구진 등이 공동협력연구를 통해 수행했다. 연구결과는 재료과학분야의 세계적인 학술지인 'ACS Nano'의 7월 6일 온라인판에 게재됐다.