나뭇잎 구조로 초소형 전기 저장장치 성능 높였다
- 리튬이온전지 대비 출력밀도 1만 배 이상 개선-

물리학과 이영희 교수(겸 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노구조물리연구단장)팀이 휴대전화 등 휴대용 초소형 전자기기에 활용할 수 있는 고성능 마이크로 슈퍼커패시터(micro-supercapacitor)1) 기술을 개발하는데 성공했다.

전자기기를 작게 만들려면 전기 저장장치의 소형화가 필수적이다. 고체형 마이크로전지(리튬이온 등 2차 전지)가 상용화되어 있지만 충전 속도가 느리고, 반복 충전시 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 초소형 고성능 전기 저장장치인 마이크로 슈퍼커패시터가 대안으로써 기대를 모아 왔으나 높은 출력에 비해 에너지 밀도가 떨어져 상용화에 걸림돌이 되어 왔다.

연구진은 기존 기술의 한계를 뛰어넘어 출력 성능이 매우 높으면서 에너지 밀도는 기존 리튬이온전지를 능가하는 고성능 마이크로 슈퍼커패시터를 만드는데 성공하여 기존 마이크로전지를 대체할 초소형 전기 저장장치의 상용화에 대한 기대감을 높였다.

이번 연구결과는 미국화학회가 발간하는 에너지과학 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 14.385)2)에 2월 20일 온라인 게재되었다.
* (논문제목) 나뭇잎을 모방하여 나노채널이 형성된 고효율 그래핀 마이크로-슈퍼커패시터(Leaf Vein-Inspired Nanochannelled Graphene Film for Highly Efficient Micro-Supercapacitors)
* (제1저자) 장지엔(Chang Jian) 성균관대학교 에너지과학과(겸 IBS 나노구조물리연구단) 박사과정생
* (교신저자) 이영희 성균관대학교 물리학과 교수(IBS 나노구조물리연구단장)

연구진은 나뭇잎 줄기의 구조에 착안하여, 이온 이동경로를 최대한 짧게 만들어 비표면적이3) 높은 그래핀 표면에 이온을 최대한 흡착시키는 구조를 만들었다.(그림설명 참조)

고체전해질에 나노선(nano wire)4)을 섞고 이를 산화흑연5) 층간에 삽입하여 전극을 형성한 후, 나노선을 녹여내 이온이 잘 통과하는 이동경로를 인위적으로 만들어 에너지밀도를 증가시키고 높은 출력밀도를 유지시켰다.

이 결과 부피당 최대 출력밀도와 최대 에너지밀도 값을 얻었다. 이는 마이크로 리튬이온전지가 갖는 에너지밀도에 가까우면서도 출력밀도는 1만 배 이상 개선된 값으로 지금까지 보고된 어떤 값보다 크다.

이영희 교수는 이번 성과를 "마이크로전지를 대체하여 제작이 간편하고 폭발 위험성이 없는 마이크로 슈퍼커패시터를 직접 휴대용 전자기기에 사용할 수 있는 계기를 마련해준 연구"라며 "다만 전극의 두께가 지금보다 굵어야 장시간 사용할 수 있기 때문에 이를 개선하기 위한 연구를 이어갈 것"이라고 말했다.