슈퍼 축전지, 전기자동차를 위한 성능이 개선된 슈퍼커패시터

캘리포니아 대학교 리버사이드 캠퍼스 연구진들이 슈퍼커패시터의 성능을 개선하는 우수한 나노미터 크기의 산화 루테늄(ruthenium oxide) 나노카본 그래핀 폼 아키텍처를 개발했다. 이 개발결과는 전기자동차의 더 빠른 가속과 휴대용 전자장치에서의 더 긴 축전지 수명의 달성을 의미한다. 

연구진들은, 전이 금속 산화물(transition metal oxide)로 수정된 나노카본 그래핀 폼 전극에 기반을 두었으며, 축전지 및 연료전지와 같은 에너지 저장장치인 슈퍼커패시터가 액체 전해질 내에서도 안전하게 동작하며 오늘날 상업적으로 이용되는 슈퍼커패시터와 비교하여 에너지와 출력 면에서 2배 정도를 달성한다는 사실을 발견했다. 

폼 전극은 성능의 저하 없이 8천 회에 걸쳐 성공적으로 사이클링을 완수했다. 이 발견은 네이처 사이언티픽 리포트(Nature Scientific Reports) 저널에 "슈퍼커패시터를 위한 그라핀에 앵커된 함수 산화 루테늄 나노입자 및 탄소 나노튜브 하이브리드 폼"이라는 제목의 논문으로 최근에 발표되었다. 

이 논문의 저자는 이 대학교 번스 공과대학(Bourns College of Engineering) 기계공학과 교수인 센기즈 S. 오즈칸(Cengiz S. Ozkan) 교수, 대학원생인 웨이 왕(Wei Wang)씨 그리고 전기공학과 교수인 미흐리마 오즈칸(Mihrimah Ozkan) 교수, 화학과 교수인 프란시스코 자에라(Francisco Zaera) 교수, 자에라 교수 연구실의 연구원인 이 일근(Ilkeun Lee)씨, 그리고 다른 대학원생인 쉬루이 구오(Shirui Guo)씨, 카지 아메드(Kazi Ahmed)씨와 자카리 파보스(Zachary Favors)씨이다. 

울트라커패시터라고도 알려진 슈퍼커패시터는 최근에 들어 대단한 관심을 얻고 있는데, 그 이유는 그것이 가진 매우 높은 총방전율, 우수한 안정성, 긴 수명주기 그리고 매우 높은 고출력 밀도 때문이다. 

이러한 특성은 전기자동차와 휴대용 전자장치를 포함한 많은 분야에 적절한 것이다. 그런데 슈퍼커패시터는 상대적으로 낮은 비에너지(specific energy, 어떤 물질에 있어서 단위 중량당 내부 에너지) 때문에 전력 공급을 10초 미만 동안만 공급할 필요가 있는 시스템 내에서의 독립형 전력 소스로 적용할 수 있다. 

캘리포니아 대학교 리버사이드 캠퍼스의 센기즈 S. 오즈칸(Cengiz S. Ozkan) 교수, 미흐리마 오즈칸(Mihrimah Ozkan) 교수가 지도하는 연구팀은, 높은 에너지 밀도의 슈퍼커패시터를 위한 나노구조의 물질 개발과 상업화를 위해 연구를 진행 중이다. 

높은 커패시턴스 또는 전하를 저장하는 능력은 높은 에너지 밀도에 매우 중요하다. 반면에, 더 높은 에너지 밀도를 달성하려면 전자화학적으로 접근할 수 있는 넓은 표면적, 높은 전기전도도, 짧은 이온 확산 경로와 우수한 계면 통합성이 매우 중요하다. 나노구조의 액티브 물질은 이러한 목표를 달성하려는 방법을 제공한다. 

"높은 에너지 밀도와 파워 밀도에 더불어, 디자인된 그래핀 폼 전극 시스템은 높은 에너지의 슈퍼커패시터 전극의 준비를 위한 쉽고 규모를 크게 만들 수 있는 바인더-프리(binder-free) 기술을 실증화하는 것이다. 이러한 유망한 특성은 이 디자인이 미래의 에너지 저장시스템에 이상적임을 의미한다"고 웨이 왕(Wei Wang)씨는 말했다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

그래핀 전극을 통해 슈퍼커패시터를 개발하다니 앞으로 이 개발결과가 더욱 높은 에너지 충전과 방전을 가능하게 만들 수 있을 것 같고 축전지 산업에 영향을 줄 것 같습니다.