친환경 전기자동차나 신재생 에너지저장 시스템을 위한 중대형 전지, 인간 친화적인 웨어러블 전자기기를 위해서는 고용량이면서도 신속한 충·방전이 가능한 압축형 전지인 슈퍼커패시터(supercapacitor)의 개발이 필수적이다. 이런 이유로 슈퍼커패시터는 현재의 이온전지의 한계를 극복할 수 있는 미래형 전지로 각광받고 있지만 에너지 밀도가 낮아 오랜 시간 동안 전기를 저장하고 사용하는 것이 어려웠다. 국내 연구진이 ‘성게처럼 뾰족한 표면을 가진 구겨진 공’ 모양의 그래핀 분말을 대량으로 저렴하게 합성할 수 있는 방법을 개발했다. 기존 탄소 소재보다 전지 저장용량을 3~4배 향상시킬 수 있어 슈퍼커패시터 개발을 앞당길 전망이다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터의 손정곤 박사와 이상수 박사팀은, “고밀도 에너지 저장을 위한 산화철 식각 공정을 통한 성게 모양 3차원 그래핀 공 입자를 제작”했다고 밝혔다.
그래핀 소재는 전기전도도가 우수하고 기계적 내구성이 높은데다 표면적이 매우 높아 슈퍼커패시터 전극의 이상적인 소재로 알려져 왔다. 하지만 전지 제조 공정 과정에서 판상 형태의 그래핀은 판과 판사이의 강한 인력에 의하여 흑연과 같은 다층구조로 쌓이거나 빈틈없이 뭉치게 되고, 이 때문에 이온들이 다가갈 수 있는 면적이 줄어들어 전지 성능이 떨어진다. 많은 연구진들은 적층 문제를 해결하기 위해 그래핀의 간극을 넓혀 다양한 3차원 형상의 그래핀 구조로 전지를 구현했지만, 빈 공간이 많아져 부피당 그래핀의 양이 줄어들어 전기용량이 낮아지고 에너지 손실이 생겼다.
일반적으로 다결정의 산화철 입자는 강한 산을 써서 표면을 녹여내면 성게처럼 뾰족한 모양으로 식각이 된다. 연구팀은 산화철 입자의 이러한 식각현상에 주목하여 산화 그래핀 용액을 산화철 입자에 코팅한 후 산화철의 식각 공정과 산화 그래핀의 환원 공정을 동시에 진행했다. 이런 절차를 거치면 뾰족하게 녹아나가는 산화철의 모양에 맞추어 치밀하게 구겨진 성게 모양의 공 구조 그래핀이 만들어진다. 특히, 이 방법은 저렴한 산화철 입자를 녹여내는 간단한 용액 공정으로 진행되기 때문에 저가로 대량생산이 가능하다는 장점이 있다.
이렇게 제조된 그래핀 공은 비표면적과 전기전도도가 높아 전극으로 제작했을 때 무게당 전기의 저장용량이 400 F/g(Farad, 전기 용량의 국제단위)에 달했다. 이는 그래핀의 이론적인 전기저장용량에 가까운 수준이다. 또한, 이 구겨진 형상은 식각에 의해 형성된 재료 본래의 구조로 만들어졌기 때문에 구조 자체의 외부의 강한 압력에도 그 형상과 물성이 유지될 수 있어, 특성의 변화없이 빈 공간을 확연하게 줄여 부피당 저장용량 또한 330 F/cm3 까지 획기적으로 증가되는 현상을 보였다. 이러한 저장용량은 기존의 그래핀 기반 전자 소자의 부피당 저장용량이 100 F/cm3 이하임을 감안할 때 3~4배 이상의 성능향상을 보인 것이라 할 수 있다.
개발한 그래핀 공은 다른 접착제나 첨가제 없이도 다양한 전극 기판에서 압착 등의 방법을 통해 제작이 가능할 뿐만 아니라, 용매에 잘 분산되어 기존 전지 제작 공정에 바로 적용이 가능하고, 우수한 비표면적, 전기전도도 및 압축-내성으로 공정처리 이후에도 성능이 감소되지 않아 우수한 성능의 전극을 구현할 수 있었다.
KIST 손정곤, 이상수 박사는 “개발한 성게모양의 그래핀 공은 대량∙저가 생산이 가능하고 성능이 뛰어나 차세대 고성능-고압축 전지 개발을 위한 획기적인 솔루션이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어연구개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 R&D 컨버전스 프로그램에서 지원되었다.
연구 결과는 신소재 분야 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ 5월 7일자 온라인에 게재되었다.
*(논문명) "Sea-Urchin-Inspired 3D Crumpled Graphene Balls Using Simultaneous Etching and Reduction Process for High-Density Capacitive Energy Storage"
- (제1저자) 한국과학기술연구원 이장열 박사
- (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 박사
- (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 박사
<그림자료>
보도
- YTN사이언스 : 성게모양 그래핀 공 개발...슈퍼전지 개발 앞당겨
- 디지털타임스 : 성게 닮은 `그래핀 공` 입자 슈퍼전지 개발 앞당긴다
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