전북대학교 이중희 교수팀(대학원 BIN융합공학과)이 초고에너지 밀도를 가진 완전 고체 상태의 슈퍼캐퍼시터용 소재 개발에 성공했다고 12일 밝혔다.

슈퍼캐퍼시터는 전기자동차나 모바일 단말기 등 다양한 전기장치에 널리 사용되는 에너지 저장 장치로 짧은 시간에 높은 출력을 내기 위해 주로 사용되는 점에서 리튬이온전지와 차이가 있다.

전북대학교 이중희 교수(대학원 BIN융합공학과)

하지만 장치에 저장할 수 있는 에너지양이 한정돼 있고, 작동 전압이 낮다는 단점이 있다. 전해질도 액상으로 만들어져 중량감이 크고 다양한 용도의 전자기기에 적용이 어렵다.

이 교수팀이 새로 개발한 소재는 이러한 여러 단점들을 획기적으로 개선할 수 있는 원천소재여서 주목받는다. 연구팀은 계층적 다공구조를 가지는 황화(S) 니켈(Ni)-몰리브덴(Mo)과 질화(N) 니켈(Ni)-철(Fe)의 나노 판상형 소재를 합성해 슈퍼캐퍼시터의 전극소재로 활용했다. 이렇게 만들어진 슈퍼캐퍼시터는 고밀도의 에너지를 저장하면서 고출력을 낼 수 있다. 제조 방법도 비교적 간단한 데다 완전 고체 상태여서 운반이 쉽고, 유연해 다양한 형태로 제작할 수 있어 다양한 전자 제품에 적용이 가능하다.

실험 결과 1㎏당 약 82W/h의 에너지 밀도와 약 13㎾ 전력밀도를 나타냈다. 이는 기존에 보고된 한계를 훨씬 뛰어넘는 획기적 성능이다. 또 1만 회 이상 사용해도 출력 성능이 96% 이상 유지돼 사용 연한까지 매우 길며, 높은 전력밀도까지 고출력을 낼 수 있는 장점이 확인됐다. 이는 향후 리튬이온 2차 전지나 연료전지, 태양전지 등 다양한 차세대 에너지 저장·변환 장치 전극소재에도 활용할 수 있어 그 활용도가 매우 높을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

이중희 교수는 “이번 연구는 미래 에너지 저장 장치에 있어 반드시 해결해야 할 핵심 기술이자 휴대폰 등 전자 장비나 차세대 전기·수소전지 자동차 등에 다양하게 적용할 수 있는 원천기술”이라며 “고효율 차세대 에너지 저장 장치 상용화의 밑거름이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 관련 분야 세계 최고 학술지인 ‘어드밴스드 펀크셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 최신 온라인판에 실렸다.

전주=김동욱 기자 [e-mail]