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2019/05/30 한양뉴스 > 학술

제목

방진호 교수, 에너지 저장 장치용 탄소전극소재 표면 개질의 비밀 풀다

고용량 및 열적 안정성을 구현하는 산화탄소구조 개발

디지털뉴스팀

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/Me20

내용
방진호 바이오나노학과 교수팀이 최근 전기차 등의 배터리 보완재로써 시동· 급정거·급가속 등 순간적인 고출력에너지 방출과 저장에 사용되는 ‘슈퍼커패시터(supercapacitor)’의 용량을 크게 향상시키는 원천기술을 확보했다. 방 교수팀이 개발한 새로운 산화탄소전극 물질은 슈퍼커패시터의 충·방전 용량을 높이는 것 외에 안정적이며 공정이 간단하다는 장점이 있어 향후 슈퍼커패시터의 대량 생산과 상용화에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
 
슈퍼커패시터는 직접적인 화학반응을 거치지 않고 전극표면의 물리적 흡착을 통해 전력을 저장하는 에너지 저장장치이다. 기존 리튬이온 이차전지 대비 고출력, 빠른 충·방전, 1만 번 이상의 긴 충·방전 수명 등의 이점이 있어 차세대 전지로 기대 받는다. 하지만 슈퍼커패시터는 이차전지 대비 에너지 밀도가 낮아 이를 극복하려는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행 중이다.
 
슈퍼커패시터 전극의 재료로 활성화탄소‧탄소나노튜브‧그래핀 등 전기 전도도가 높은 탄소기반 재료들이 각광 받고 있다. 특히 경제적‧공정상의 이점을 이유로 면적을 극대화한 다공성 탄소재료 표면에 여러 산소작용기(oxygen-containing functional groups)를 도입해 용량을 늘리려는 수많은 연구가 진행됐다.
그러나 이러한 시도는 탄소전극표면의 심각한 구조 악화를 일으켜 전기전도도가 크게 감소하고 오히려 용량 저하로 이어지는 문제가 발생해 왔다. 또 기존 산소작용기는 열적 안정성이 매우 낮아 높은 온도에서의 충·방전 시스템에서는 사용이 제한적이라는 단점도 있었다.
 
방 교수팀은 이런 문제점을 극복하고자 그래핀(graphene)의 육각구조와 흡사한 ‘고리형 에테르(cyclic ether)산소작용기’를 개발했다. 새롭게 개발된 탄소-산소 결합구조는 평면의 고리형 에테르 산소작용기를 탄소전극 표면에 도입한 구조로, 탄소의 평면 그래핀 결정구조를 효과적으로 보존해 전기전도도의 저하를 억제할 수 있었다.
그 결과 고리형 에테르가 도입된 새로운 산화탄소전극은 위의 기존 산화탄소전극 대비 고속 충·방전 시 염기성용액 내에서 13배, 산성용액 내에서 5배 이상 높은 단위면적 용량을 보였다. 이는 슈퍼커패시터의 특성상 저속보다는 고속에서의 충·방전 용량이 매우 중요하다는 점에서 고무적인 발견이라 할 수 있다.
 
▲(A) 기존 산화탄소와 새롭게 개발된 산화탄소의 구조 모식도 (위에서 바라본 관점 및 옆에서 본 탄소
구조). (B) 산성용액 및 (C) 염기용액 조건에서의 용량 (실제 면적) 측정 결과.

또 기존 산소작용기는 300 ℃ 이하에서 열적으로 불안정한 모습을 보인 반면 고리형 에테르 작용기는 모든 산소 작용기중 가장 안정적으로 600 ℃ 이상에서도 산소-탄소 구조의 변형이 거의 없었다.
 
▲연구팀이 개발한 산화탄소의 열적 안정성에 관한 모식도

방 교수는 “에너지 저장 장치용 전극 소재의 핵심인 탄소의 활용을 극대화 할 수 있는 새로운 표면 개질 방법에 대한 원천 기술을 확보함에 따라, 슈퍼커패시터의 에너지 저장 용량을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 돌파구를 마련했다”라고 이번 연구의 의의를 설명했다.
 
이번 연구는 과학기술정보통신부‧교육부‧한국연구재단 기초연구사업과 삼성전자 미래기술육성센터 지원 사업으로 수행됐으며, 연구결과는(논문명 : Exploring the Capacitive Behavior of Carbon Functionalized with Cyclic Ethers: A Rational Strategy To Exploit Oxygen Functional Groups for Enhanced Capacitive Performance) 나노기술분야 국제학술지 「ACS Applied Materials and Interfaces」의 5월호 게재 및 표지 논문으로 선정됐다. 
 
▲「ACS Applied Materials and Interfaces」 저널 표지 이미지


 
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