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그래핀 돌돌말아 고성능 E저장장치 개발
기존 比 에너지밀도 2~3배 ↑, 1만 번 이상 충·방전 가능
산화철 입자가 캡슐화된 환원된 산화그래핀 스크롤 합성법(상) 및 관찰 이미지(하)
국내 연구진이 그래핀을 둘둘 말아서 초고속 충·방전 기능은 잃지 않으면서 우수한 에너지 밀도와 전력밀도를 가지는 고성능 하이브리드 슈퍼 커패시터를 개발했다.

GIST(광주과학기술원, 총장 문승현)은 장재형 차세대에너지연구소 소장(전기전자컴퓨터공학부 교수) 연구팀이 “기존의 그래핀 전극보다 에너지 저장밀도가 2~3배 높고, 리튬이온전지 대비 전력밀도가 15배 우수한 고성능 하이브리드 슈퍼커패시터 기술 개발에 성공했다고 27일 밝혔다.

연구팀이 단일 원자 두께의 그래핀을 돌돌말아 두루마리 형태도 제조한 그래핀두루마리로 만든 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 7,614 W/L로 리튬이온전지가 가진 500 W/L에 비해 15배가 높으며, 1만 번 이상 충·방전이 가능해 안정성이 높다.

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 되어 이용할 수 있는 표면적이 최대화되고 이에 따라 이온과 반응하는 면적이 늘어난다.

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

장재형 교수는 “별도의 첨가제나 복잡한 공정이 없어도 충전밀도가 높고, 에너지 밀도가 높은 하이브리드 슈퍼커패시터를 개발했다”며“전기자동차, 휴대전자 기기 등에 필요한 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이 연구는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 산업통상자원부 산업기술혁신사업 등의 지원으로 수행됐으며 나노분야 국제학술지 에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces) 6월14일자에 게재됐다.

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편집국 기자 (webmaster@amenews.kr) [기자의 다른 기사보기]
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