고속충방전-긴수명 특성 유지하면서 에너지 밀도 ‘배터리’ 수준으로 높여
고효율 에너지저장장치 실용화 새 비전 제시
전기를 보관했다가 필요할 때 꺼내 쓰려면 흔히 ‘배터리’를 이용한다. 그러나 배터리 이외에도 전기를 보관했다가 꺼내 쓰는 장치가 존재하는데, 이를 ‘바카라사이트 벳페어’라고 부른다. 그 효율을 한층 높인 ‘슈퍼바카라사이트 벳페어’를 통해 기존 배터리 시스템의 단점을 극복하려는 노력이 이어지고 있다.
이런 가운데 슈퍼커패시터의 효율을 크게 높일 수 있는 바카라사이트 벳페어을 국내 연구진이 새롭게 개발했다. 고속 충방전이 가능한 새로운 에너지 저장장치의 상용화,자율주행차나 로봇 등 첨단기기의 효율을 큰 폭으로 높일 수 있을지 기대된다.
광주과학바카라사이트 벳페어원(GIST, 총장 임기철) 화학과 박찬호 교수, 신소재공학과 유승준 교수 공동 연구팀은 슈퍼커패시터의 에너지 저장 성능을 크게 높이는 데 성공했다고 19일 밝혔다.
커패시터란 본래 전기 회로 속에서 일시적으로 전기를 저장했다가 빠르게 방출하는 부품을 뜻한다. 충·방전 속도가 빠르고 수명이 길지만, 에너지 밀도가 낮아 많은 전기를 저장하기 어려웠다. 이에 따라 커패시터의 장점을 유지하면서도 배터리 수준의 에너지 밀도를 갖춘 신개념 슈퍼커패시터 개발을 위한 도전도 계속되고 있다. 그중 전기저장용량을 크게 늘릴 수 있는 ‘레독스(흐름)’ 방식 슈퍼커패시터를 통해 대용량에너지저장장치(ESS) 등을 개발하려는 시도도 있다. 전기를 저장하려면 배터리와 유사하게 전해액이 필요한데, 이 전해액을 순환시켜 고용량 전기 저장을 실현하는 바카라사이트 벳페어이다.
기존의 레독스 슈퍼바카라사이트 벳페어는 에너지 밀도를 높이기 위해 전해질 속 레독스 활성물질의 농도를 높이는 방식을 주로 채택했다. 그러나 이 방법은 활성물질이 전극 사이를 자유롭게 이동하며 에너지가 새어 나가는 ‘자가방전 현상’을 유발하고, 충·방전 효율도 떨어뜨리는 단점이 있었다.
GIST 연구진은 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 간단하면서도 저렴한 합성법을 바카라사이트 벳페어했다. 펜틸바이올로젠(PV, pentyl viologen)과 브로마이드(Br, bromide)를 각각 음극과 양극의 전해질로 사용하는 듀얼 레독스 시스템을 도입해 효율을 크게 끌어 올렸다. 두 물질을 동시에 이용한 결과, 충·방전 과정 중 고체 화합물을 형성하며 자가방전을 억제하고, 에너지 손실을 최소화하는 효과가 있었다.
PV와 Br은 각각의 분자 크기가 약 2㎚, 0.19㎚ 정도로다. 이런 물질을 효과적으로 다루기 위해서는 기공 크기 조절이 핵심인데, 기존의 기공 조절 방식은 미세기공이 무너질 위험이 있고 가공 과정에서 비용 역시 많이 들어 실용화의 걸림돌이 돼 왔다. 이에 연구팀은 미세기공을 손상시키지 않으면서도 중형기공의 비율을 효과적으로 늘린 새로운 탄소 소재를 만들었다. PV 및 Br이 효과적으로 흡착되고 확산될 수 있도록, 2㎚(나노미터, 1㎚는 10억 분의 1m) 이하 미세기공과 2~50㎚ 사이의 중형기공이 적절히 분포된 ‘다공성 탄소 전극’을 바카라사이트 벳페어해 전극과 전해질 사이 계면의 반응을 극대화했다.
이렇게 개발한 슈퍼바카라사이트 벳페어를 실험한 결과 에너지 밀도가 1㎏당 125와트시(Wh)에 해당했다. 전기차 등에 사용되는 충전식 배터리에 필적하는 전기저장용량이다.
연구팀은 이번 연구가 바카라사이트 벳페어의 빠른 반응성과 긴 수명은 유지하면서, 배터리에 가까운 높은 에너지 밀도를 구현했다는 점에서 차세대 에너지 저장 장치 개발에 중요한 전환점이 될 것으로 기대하고 있다.
박찬호 교수는 “이번 연구는 전극과 전해질 계면에서의 물질 상호작용을 정밀하게 제어함으로써, 레독스 슈퍼바카라사이트 벳페어의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 입증한 사례”라며 “고성능 수계 에너지 저장장치 개발에 새로운 방향성을 제시할 것”이라고 말했다.
유승준 교수는 “에너지 저장 장치의 성능을 끌어올리기 위해서는 단순히 소재의 성능뿐만 아니라, 소재 간의 상호작용에 대한 이해가 필수적”이라며 “이번 연구는 레독스 전해질과 다공성 탄소 전극의 상호작용을 기반으로 높은 에너지 밀도를 구현한 사례로, 향후 다양한 고성능 레독스 전지 설계에 중요한 지침이 될 것”이라고 강조했다.
이번 연구성과는 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 4월 28일 온라인판으로 게재됐다. 연구 제 1저자는 김종경 GIST 졸업생(박사)과 조영훈 GIST 연구원(박사과정)이 공동으로 맡았다. 한국연구재단 단계도약형 탄소중립 바카라사이트 벳페어개발사업 및 중견연구자지원사업의 지원을 받았다.