미래형 전기자동차나 휴대용 전자제품 등에 사용될 수 있는 슈퍼캐퍼시터 장치에 사용되는 전극 소재를 전북대학교 발라무르건 자라야만 박사와 이중희·김남훈 교수팀이 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.

30일 전북대에 따르면 연구팀은 계층적 구조로 된 다공성을 가지는 ‘망간-니켈-셀레나이드’ 나노 구조체와 ‘망간-철-셀레나이드’ 나노 시트 형태의 소재를 개발하여 음극과 양극 소재로 사용함으로써, 높은 에너지 밀도와 높은 출력 밀도를 가지면서 매우 우수한 내구성을 지닌 새로운 고성능 슈퍼캐퍼시터를 개발했다.

이는 1만 회 사용 후 98.2%의 성능을 유지할 만큼 효율이 매우 높다. 유연한 고체 상태이기 때문에 전기자동차나 전자제품 등에 폭넓은 적용이 가능하다.

이 연구 결과는 에너지 분야의 세계 최고 학술지인 '나노 에너지 (Nano Energy)'(IF=15.548)의 최신호에 게재됐으며, 미래창조과학부의 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구팀은 카본섬유 천위에 망간-니켈 2중층 수산화물을 성장시킨 후 그 후에 셀렌화 해 높은 전기 전도도를 가지면서 촉매로써의 활성도도 매우 뛰어나고, 내구성이 우수한 음극 전극소재로 사용했다. 양극 전극소재는 카본섬유 천위에 망간-철 2중층 수산화물을 성장시킨 후 셀렌화를 통하여 사용했다.

이러한 전극소재를 사용하여 매우 효율이 뛰어나면서 내구성을 가지는 고성능 슈퍼캐퍼시터를 제조할 수 있었다고 연구팀은 밝혔다.

슈퍼캐퍼시터는 일반적으로 단시간 내에 고출력을 낼 수 있다는 장점을 갖고 있지만 에너지 저장 밀도가 낮아 장시간에 사용 할 수 없다는 단점을 지니고 있었다.

그러나 이번에 제조된 슈퍼캐퍼시터는 이러한 단점을 극복하면서도 매우 우수한 출력을 내는 것으로 확인됐고, 에너지 밀도가 거의 리튬 이온전지에 버금가고 있는 두 장치 기능을 한 번에 해결할 수 있다는 장점까지 지닌다.

이중희 교수는 “이번 연구로 미래 전기 자동차 등과 같은 전자장치를 위해 반드시 해결해야 할 핵심 기술인 에너지 저장 기술을 보다 성능이 뛰어나면서도 저렴하게 제조할 수 있는 기반을 마련할 수 있을 것”이라며 “이러한 소재기술의 확립은 고효율 차세대 에너지 저장 장치 상용화를 위한 가장 중요한 원천 기술 확보라는 의미를 갖는다”고 밝히면서 조속한 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 내다봤다.

한편, 개발된 소재는 향후에 리튬이온 2차 전지, 연료전지, 태양전지 등 다양한 차세대 에너지 저장 및 변환 장치의 전극소재로 널리 활용될 수 있을 것으로 내다보고 있다.
/장은성 기자