에너지 저장량 높이고 수소가스 발생 억제
국내 대학 연구팀이 빠르게 충전하고 오래 사용할 수 있는 슈퍼커패시터의 성능을 크게 높일 수 있는 전극 소재를 개발했다.
성균관대 화학공학과 김정규 교수 연구팀은 숙명여대 김민철 교수 연구팀과 공동으로 물을 사용하는 수계 슈퍼커패시터의 성능을 높이는 새로운 전극 소재를 개발했다고 1일 밝혔다.
슈퍼커패시터는 배터리보다 충전과 방전 속도가 빠르고 수명이 길어 전기차와 에너지저장장치(ESS) 등에 활용 가능성이 높은 기술이다. 특히 물을 전해질로 사용하는 수계 슈퍼커패시터는 화재 위험이 적고 친환경적이라는 장점이 있지만, 전압이 높아지면 물이 수소와 산소로 분해돼 성능 향상에 한계가 있었다. 이 과정에서 발생하는 수소가스도 안전성과 내구성을 떨어뜨리는 문제로 지적돼 왔다.
연구팀은 질소가 포함된 탄소 소재에 납(Pb) 단일 원자를 균일하게 배치한 새로운 전극을 개발했다. 이 전극은 전기를 운반하는 이온은 원활하게 이동시키면서 물 분해 반응은 효과적으로 억제하도록 설계됐다.
실험 결과 새 전극은 기존보다 전기 저장 용량이 약 두 배 향상됐고, 더 높은 전압에서도 안정적으로 작동했다. 에너지 저장 성능은 기존 전극보다 약 3.7배 높아졌다.
안전성과 내구성도 개선됐다. 연구팀은 48시간 연속 작동하는 동안 수소가스가 발생하지 않았고, 1만 회 이상 충·방전한 뒤에도 초기 성능의 98.3%를 유지했다고 설명했다.
김정규 교수는 “이번 연구는 전극 표면에서 물 분해 반응을 억제하면서도 높은 에너지 저장 성능을 구현할 수 있는 새로운 설계 방법을 제시한 것”이라며 “기존 생산 공정에도 적용할 수 있어 안전성과 성능을 모두 갖춘 차세대 에너지 저장장치 개발에 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다.
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