국내 연구진, 차세대 에너지 저장장치 '하이브리드 슈퍼커패시터' 향상 물질 발굴

하이브리드 슈퍼커패시터 모식도 및 합성법

[아시아경제 권용민 기자] 미래창조과학부가 차세대 에너지 저장장치로 주목받는 하이브리드 슈퍼커패시터의 용량과 충전속도를 높이고 수명을 향상시킬 수 있는 물질을 국내 연구진이 발굴했다고 18일 밝혔다.

하이브리드 슈퍼커패시터는 배터리(리튬이온 이차전지)처럼 산화·환원 반응을 통해 에너지를 저장하는 음극물질과 축전지(전기이중층 커패시터)와 같이 전기이중층에 전하를 모으는 양극물질을 사용한 하이브리드 에너지 저장장치다. 양쪽 전극에 각기 다른 에너지 저장방식을 사용하는 경우 하이브리드를 덧붙인다.

하이브리드 슈퍼커패시터에서 에너지를 저장하는 역할을 하는 음극물질로는 빠른 출력 특성을 장점으로 갖는 티타늄(Ti) 기반의 산화물이 주로 쓰인다. 하지만 티타늄 기반 산화물은 이론용량*과 전기전도성이 낮아 새로운 음극물질을 개발하려는 연구가 활발하다.

연구팀은 티타늄 보다 전기화학적 성능이 우수한 나노기공이 있는 니오비윰계 산화물에 탄소를 코팅한 복합체를 음극물질로 활용한 충전이 빠른 고용량 하이브리드 슈퍼커패시터를 구현했다.

만들어진 하이브리드 슈퍼커패시터는 약 1분 만에 최대 용량의 60%를 충전할 수 있는 고속 충전성능을 나타냈다. 또 기존 티타늄을 음극소재로 활용한 경우에 비해 에너지용량이 약 1.5배에 달하는 것으로 나타났다.

기공을 통해 이온이 이동하면서 많은 이온을 저장할 수 있고 탄소 코팅으로 전기전도성을 높여 전자가 원활히 움직일 수 있기 때문이다.

1000회의 충·방전에도 초기 용량의 90% 이상을 유지하는 것으로 나타나 300회의 충·방전에 초기 용량의 90%를 유지하는 기존 티타늄 기반 배터리에 비해 장수명 특성을 보인다는 설명이다.

이진우 포항공대 화학공학과 교수는 "최근 개발된 하이브리드 슈퍼커패시터 중에서도 우수한 에너지 및 출력밀도를 갖는 사례로 향후 추가 연구를 통해 하이브리드 전기자동차 또는 전기자동차의 차세대 에너지 저장 장치로의 활용이 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(핵심), 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 포항공대 화학공학과 이진우 교수(교신저자), 임은호 박사과정 연구원(제 1저자)이 주도하고 서울대 강기석 교수 및 중앙대 윤성훈 교수 연구진이 공동으로 수행했다. 연구결과는 에이씨에스 나노지(ACS NANO) 8월 19일(온라인판)자에 게재됐다.

권용민 기자 festym@asiae.co.kr