미래형 전기자동차나 모바일 단말기 등에 사용되는 슈퍼캐퍼시터는 아주 짧은 시간 내에 큰 출력을 위해 주로 사용되는 에너지 저장 장치다. 그러나 장치 내에 저장할 수 있는 에너지양이 적고 수명도 짧으며, 작동 전압도 낮아 널리 사용에 어려움이 있다. 특히 액체 전해질로 돼 있어 운반이나 여러 전자기기 적용도 미진한 상황이다.
이런 슈퍼캐퍼시터의 단점을 모두 극복할 수 있는 연구 성과를 전북대학교 이중희 교수(대학원 BIN융합공학과)팀이 발표해 주목을 받고 있다. 이 교수팀이 개발한 슈퍼캐퍼시터는 초고수명을 지니면서도 완전 고체 상태여서 유연해 미래 착용 가능한 전자제품이나 전기 자동에 등에 적용될 수 있도록 만들어졌다.
이번 연구 성과는 미래창조과학부의 중견연구자 지원사업과 BK21 플러스 사업 지원을 받아 수행됐으며, 에너지 분야 세계 최고 학술지인 ‘어드밴스트 펀크셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=13.325)’ 최신 온라인판에 게재됐다.
연구팀은 3종의 금속 질화물 나노 구조체를 질소가 도핑된 그래핀으로 감싸서 넓은 표면적을 가지면서 전기 전도도가 좋고 촉매의 활성도를 높였다. 아주 오래 사용할 수 있는 금속 질화물의 특징을 살린 전극소재를 개발해 슈퍼캐퍼시터에 적용했다.
특히 음극과 양극 물질이 서로 다른 ‘질화-니켈-코발트’와 ‘질화-니켈-철’ 나노입자를 질소가 도핑 된 그래핀으로 감싸주도록 해 표면적을 넓혔다.
이렇게 개발된 슈퍼캐퍼시터는 많은 에너지를 저장하고 고출력을 내면서도 기존의 슈퍼캐퍼시터에 비해 아주 수명이 길다. 또한 제조 공정도 쉽고 저렴하기까지 해 쉽게 양산할 수 있어 다양한 전자 제품의 에너지 저장장치로 적용이 가능하다.
또 2만 5천 회 이상을 사용해도 출력 성능이 겨우 5% 정도 떨어지는 우수한 특성을 보이고, 지금까지 보고되었던 연구 결과들보다 훨씬 우수한 에너지밀도와 고출력을 낼 수 있다는 장점을 갖고 있다.
전북대 이중희 교수는 “이번 연구 결과로 미래 전기자동차 등과 같은 전자장치에서 반드시 해결해야 하는 핵심 기술인 에너지 저장 기술을 보다 성능이 뛰어나면서도 저렴하게 제조할 수 있는 기반기술을 마련할 수 있을 것”이라며 “이러한 소재기술의 확립은 고효율이면서 유연하고 내구성이 강한 차세대 에너지 저장 장치 상용화를 위한 가장 중요한 원천기술 확보라는 의미를 갖는다”고 밝히면서 조속한 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 내다봤다.
남형진 기자
