환원된 산화그래핀, 둥글게 말아 고성능 에너지 저장 장치 개발  충전 밀도 및 에너지 밀도 높은 하이브리드 슈퍼커패시터 허령 기자입력 2017-09-25 09:08:52

소형 전자기기에 더욱 적합한 에너지 저장 장치가 개발되었다. 한국연구재단은 “광주과학기술원 차세대에너지연구소 장재형 소장 연구팀이 기존의 그래핀 전극보다 에너지 저장밀도가 2~3배 높고, 리튬이온전지 대비 전력밀도가 15배 우수한 고성능 하이브리드 슈퍼커패시터 기술을 개발”했다고 밝혔다. 
연구팀이 개발한 그래핀 두루마리를 이용한 하이브리드 슈퍼커패시터 전극은 49.66Wh/L의 체적 에너지 밀도를 가지고 있다. 이는 기존 그래핀을 이용한 전극에 비해 체적 에너지 밀도가 2~3배 이상 높다. 이 전극의 전력밀도는 7,614W/L로 리튬이온전지가 가진 500W/L보다 15배 높으며, 1만 번 이상 충·방전이 가능해 안정성이 높다. 
연구팀은 “초고속 충·방전 기능을 잃지 않으면서 우수한 에너지 밀도와 전력밀도를 나타낸 것은 환원된 산화그래핀을 돌돌 말아 형성된 나노스케일 두루마리구조(나노스크롤)에 있다”고 설명했다. 
단층 판 모양의 환원된 산화그래핀을 단순히 쌓게 되면 이온이 환원된 산화그래핀 내부 영역까지 접근하지 못하기 때문에 이온이 흡착하는 면적이 줄어 전지의 성능이 떨어진다. 반면 환원된 산화그래핀을 두루마리 모양으로 돌돌 말게 되면 나노스크롤의 끝부분과 모서리는 열린 상태가 되어 이용할 수 있는 표면적이 최대화된다. 이에 따라 이온과 반응하는 면적이 늘어난다. 
또한, 기공(구멍)이 균일하게 배열되어 이온이 내부까지 원활하게 이동하고, 직경 3㎚의 기공 크기는 이온의 이동 및 확산에 적합해 최적의 전기화학적 성능을 나타낸다. 
장재형 교수는 “이 연구는 별도의 첨가제나 복잡한 공정 없이 충전 밀도가 높고, 에너지 밀도가 높은 하이브리드 슈퍼커패시터를 개발한 것이다”라며 “전기자동차, 휴대 전자 기기 등에 필요한 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다. 
이 연구는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 산업통상자원부 산업기술혁신사업 등의 지원으로 수행되었으며, 미국 화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces) 6월 14일(수) 자에 게재되었다. 

 

산화철 입자가 캡슐화된 환원 산화그래핀 스크롤 합성법(상) 및 관찰 이미지(하)
허머(Hummers)법을 사용해 그래핀 산화물을 합성한 후 산화그래핀을 30mL의 물에 분산시키고, 0.1g의 산화물 분말을 분산액에 첨가해 초음파 처리와 및 원심 분리를 통해 균일한 현탁액을 받은 후 여과함. 초음파 처리, 원심 분리 및 여과를 여러 번 실시해 생성된 용액을 90℃에서 24시간 건조시켜 파우더를 얻어낸 후 질소 어닐링(400℃, 2시간) 처리해 생성된 분말을 활용, 하이브리드 슈퍼커패시터를 제작함.  

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경.
A. 대부분의 상업적으로 이용 가능한 하이브리드 슈퍼커패시터의 체적 에너지 밀도는 낮으며 5~8Wh/L 범위이다. 환원된 산화그래핀계 하이브리드 슈퍼커패시터는 에너지 밀도가 높기 때문에 에너지 저장 응용 분야에서 유망한 후보 물질로 꼽히지만, 체적 에너지 밀도가 낮아 휴대용 전자 장치 및 전기 자동차 분야의 응용이 크게 제한된다.

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 허머(Hummers)법과 용액 처리법을 사용해 산화철(Fe2O3)이 캡슐화된 환원 그래핀 산화물 샘플을 제조했다. 하이브리드 슈퍼커패시터는 아르곤으로 채워진 글로브 박스에서 만들어졌다. 또한, 양극 물질은 산화철이 캡슐화 및 환원된 그래핀 산화물 스크롤이며 음극 물질은 활성 탄소이다. 양극과 음극은 다공성 폴리 프로필렌 필름(Celgard 3401, USA)으로 분리되어 있다. 사용되는 전해질은 1M LiPF6in1:1 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트의 용액이며, 스테인리스 스틸이 집전체로 사용되었다.
하이브리드 슈퍼커패시터 셀은 배터리 테스터(WBCS 3000, WonATech, Korea)를 사용해 0~3V 범위의 CR2032 코인 셀을 사용해 측정했다. 제작된 셀은 49.66Wh/L의 매우 높은 체적 에너지 밀도를 나타내며 충·방전 사이클 안정성이 매우 우수(>10,000회)하고 최대 전력 밀도는 7,614W/L을 나타낸다. 

 

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 해결(극복)했는지.
A. 허머법과 용액 처리 방법을 사용해 산화철이 캡슐화된 그래핀 산화물 스크롤을 제조하는 것이 어려웠고, 푹신한 분말을 취급하기 매우 어려웠다.

 

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 환원된 산화그래핀 기반 하이브리드 슈퍼커패시터의 체적 에너지 밀도를 향상시키는 대표적인 방법은 환원된 산화그래핀 전극재의 충전 밀도를 높이는 것이다. 이에 그래핀 시트의 뭉침(Aggregation)과 재적층(Restacking) 현상 없이 도핑 및 환원된 산화그래핀을 두루마리 형태의 롤 구조로 제작하는 기술을 개발했다.
한편, 산화철 입자가 그래핀 시트 위에 부착되면 이 부착된 산화철 입자가 높은 온도에서 그래핀 시트를 돌돌 말아 스크롤을 형성시키는 점을 이용, 질소 분위기하 열처리 공정(400℃)을 통해 그래핀 시트의 재적층 현상 없이 산화철이 캡슐화 및 환원된 산화그래핀 스크롤을 형성시킬 수 있었다. 또한, 여러 금속 산화물 중 산화철을 적절하게 선택함으로써 높은 체적 에너지 밀도(49.66Wh/L)를 달성했다. 

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 추후 최대 25A/g의 전류 밀도를 갖고, 25,000회 이상의 충·방전 사이클 안정성, 20,000W/L의 전력 밀도, 100W/L의 체적 에너지 밀도 등 보다 향상된 성능을 나타내는 하이브리드 슈퍼커패시터 제작 연구를 진행할 예정이다.

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