차세대 에너지 저장장치 용 '슈퍼 전극' 개발(04.16)

수직구조 그래핀 플레이크 이용…저장용량·전극밀도 3배 높여

▲ 전극 형태에 따른 그래핀 플레이크 전해질 이동경로 예측. 그래핀 플레이크가 각각 분말(A, D), 수평 필름(B, E), 수직 구조체(C, F)

일 때 서로 다른 형상에 따른 전해질 이온의 이동 경로를 예상할 수 있다.  ⓒ 2014 HelloDD.com

이차전지를 이을 차세대 에너지 저장장치로 불리는 '고성능 슈퍼 커패시터'의 충방전 속도를 높일 수 있는 전극이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

미래창조과학부와 한국연구재단은 이효영 성균관대 화학과 교수와 윤여홍 박사팀이 그래핀 플레이크(Graphene Flake)를 수직으로 세워 충·방전이 빠른 고성능 슈퍼 커패시터 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

그래핀 플레이크란 흑연을 강산으로 산화시켰다가 환원과정을 거쳐 얻어지는 환원그래핀이다. 전도성을 띠며 비표면적이 넓어 에너지 저장장치의 전극 소재로 주목받고 있다. 하지만 전극의 밀도가 낮아 부피가 커진다는 치명적 단점도 갖고 있다.

연구팀은 낮은 밀도와 수평구조로 인한 그래핀 플레이크의 충방전 속도 개선을 연구과제로 삼았다. 이를 위해 물에 분산된 산화그래핀 플레이크가 수평구조의 필름을 쉽게 만드는 것에 착안, 수직구조체 모델을 구상했다.

연구팀은 산화그래핀 플레이크를 물에 분산시킨 뒤 두루마리 형태의 롤로 제조하고, 이를 절단해 수직구조의 환원그래핀 플레이크 필름 전극을 만들었다. 또 빠른 충방전을 위해 전극의 균일한 기공 확보가 필요한 만큼, 산화그래핀 플레이크 시트 사이에 탄소나노튜브를 설치해 규칙적인 기공을 구현했다.

이렇게 제조된 수직구조체 그래핀 플레이크 전극은 기존 분말형태나 수평구조 그래핀에 비해 약 3배 이상 에너지 저장용량(170F/cc)을 확보한 것으로 확인됐다. 전극 밀도 역시 기존 활성탄이나 그래핀(0.5g/cc)보다 2배 이상(1.18g/cc) 높은 것으로 나타났다.

▲ 수직 구조체 그래핀 플레이크 전극필름 제조방법 모식.

 (A)수평 구조로 건조된 산화 그래핀 필름을 (B,C)롤링 공

정을 통해 두루마리 형태의 산화 그래핀 롤로 만든다. (D)

만들어진 롤 형태로 말린 산화 그래핀을 커터를 사용하여

 자르면 (E)결과적으로 수평구조에서 수직구조를 갖게 되

는데 (F)이를 열처리를 통해 전도성을 갖는 그래핀 플레이

크 전극으로 만들면 (G)전기이중층 커패시터의 전극으로 

사용할 수 있게 된다.  ⓒ 2014 HelloDD.com

이효영 교수는 "다른 첨가제나 복잡한 공정 없이 수직 구조체를 만들고 이를 규칙적으로 배열해 높은 밀도의 전극을 제조하는 기술"이라며 "높은 비표면적을 갖는 그래핀 플레이크의 장점을 그대로 살릴 수 있어 고용량 고속 슈퍼 커패시터와 배터리 충전기 등 차세대 에너지 저장장치에 응용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업으로 진행됐으며, ETRI가 지원했다. 결과는 2일 미국화학회가 발간하는 'ACS Nano'지 온라인판에 게재됐다.

▲ 전해질 이온흡착 정도 비교. 충·방전 조건(스탠레이트)을 0.1V/s부터 20V/s 까지 달리할 때, 전해질 이온의 흡착(충·방전) 정

도를 확인했다. 그 결과 충·방전 조건이 빠르고 가혹해질수록 분말과 수평구조의 전극의 경우 전류값이 떨어지는 반면 수직 구

조체의 그래핀 플레이크 전극은 전류값이 일정하게 나타났다. 전해질 이온의 흡착 정도가 수직 구조에서 월등히 뛰어남을 뒷받침 하는 것이다.  ⓒ 2014 HelloDD.com