환원된 산화그래핀 ‘돌돌’말아 고성능 에너지 저장 장치 개발

[산업일보]
소형 전자기기에 보다 적합한 에너지 저장 장치가 개발됐다. 한국연구재단은 광주과학기술원 차세대에너지연구소 장재형 소장 연구팀이 “기존의 그래핀 전극보다 에너지 저장밀도가 2~3배 높고, 리튬이온전지 대비 전력밀도가 15배 우수한 고성능 하이브리드 슈퍼커패시터 기술을 개발했다”고 밝혔다.

연구팀이 개발한 그래핀 두루마리를 이용한 하이브리드 슈퍼커패시터 전극은 49.66 와트아워퍼리터(Wh/L)의 체적 에너지 밀도를 가지고 있다. 이는 기존 그래핀을 이용한 전극에 비해 체적 에너지 밀도가 2~3배 이상 높다. 이 전극의 전력밀도는 7천614 W/L로 리튬이온전지가 가진 500 W/L에 비해 15배가 높으며, 1만 번 이상 충‧방전이 가능해 안정성이 높다.

초고속 충‧방전 기능을 잃지 않으면서 우수한 에너지 밀도와 전력밀도를 나타낸 것은 환원된 산화그래핀을 돌돌 말아서 형성한 나노스케일 두루마리구조(나노스크롤)에 있다고 연구팀은 설명했다.

단층 판 모양의 환원된 산화그래핀을 단순히 쌓게 되면 이온이 환원된 산화그래핀 내부 영역까지 접근하지 못하기 때문에 이온이 흡착하는 면적이 줄어 전지의 성능이 떨어진다. 이에 비해 환원된 산화그래핀을 두루마리 모양으로 돌돌 말게 되면 나노스크롤의 끝부분과 모서리는 열린 상태가 돼 이용할 수 있는 표면적이 최대화되고 이에 따라 이온과 반응하는 면적이 늘어난다.

또한 기공(구멍)이 균일하게 배열돼 이온이 내부까지 원활하게 이동하고 직경 3나노미터(nm)의 기공 크기는 이온의 이동 및 확산에 적합해 최적의 전기화학적 성능을 나타낸 것이다.

장재형 교수는 “이 연구는 별도의 첨가제나 복잡한 공정이 없어도 충전밀도가 높고, 에너지 밀도가 높은 하이브리드 슈퍼커패시터를 개발한 것이다. 전기자동차, 휴대전자 기기 등에 필요한 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.