출력 밀도 높고 충방전 속도 빠른 ‘슈퍼 커패시터’ 원리 규명

2019.03.05 17:49
이미지 확대하기정연준 서울대 화학부 교수(왼쪽)와 노찬우 연구원(오른쪽)은 슈퍼 커패시터의 충·방전 현상의 물리화학적 원리를 분자 수준에서 규명했다. 이온성 액체를 활용한 슈퍼 커패시터와 전자기기의 성능 향상이 기대된다. 서울대 제공
정연준 서울대 화학부 교수(왼쪽)와 노찬우 연구원(오른쪽)은 슈퍼 커패시터의 충·방전 현상의 물리화학적 원리를 분자 수준에서 규명했다. 이온성 액체를 활용한 슈퍼 커패시터와 전자기기의 성능 향상이 기대된다. 서울대 제공

리튬이온 배터리에 비해 출력 밀도가 높고 충·방전 속도가 빠르며 수명이 긴 이온성 액체 ‘슈퍼 커패시터(Super-capacitor)’ 작동 원리가 분자 수준에서 규명됐다. 슈퍼 커패시터와 전자기기 성능 향상이 기대된다. 


정연준 서울대 화학부 교수 연구팀은 그래핀 전극과 이온성 액체 전해질로 구성된 슈퍼 커패시터의 충·방전 원리를 분자 수준에서 규명했다고 4일 밝혔다. 


슈퍼 커패시터는 리튬이온의 화학적 반응을 통해 충·방전하는 일반 2차전지와 달리 탄소 소재재인 활성탄에 전자가 흡·탈착하는 방식으로 충전과 방전이 이뤄진다. 슈퍼 커패시터의 성능은 구동 전압에 크게 의존한다. 넓은 전압 범위에서도 화학적으로 안정된 이온성 액체를 슈퍼 커패시터의 전해질로 활용하는 시도들이 이어지고 있다. 하지만 전하를 띠는 이온들로만 구성된 이온성 액체는 유기 전해질에 비해 전하밀도가 매우 높아 일반 슈퍼 커패시터와는 다르게 작동한다. 


연구팀은 이런 이온성 액체 슈퍼 커패시터의 경우 충·방전 과정 중 반대전하 이온들의 흡착보다는 공전하 이온의 탈착이 충전에 크게 영향을 준다는 사실을 알아냈다. 연구팀은 이런 현상을 ‘비움 효과(Vacating effect)’라 이름 지었다.

 

또 전극 표면에 존재하는 이온 뿐 아니라 시스템 전체 이온들의 집합적인 움직임을 통해 매우 빠른 속도로 충·방전이 일어날 수 있다는 점을 이론적으로 밝혔다.  연구에 참여한 노찬우 연구원은 “이론적으로는 수 나노초 이내 짧은 시간 안에 충전이 가능하다”고 말했다. 


정 교수는 “본 연구는 전기장 변화에 따른 이온성 액체 슈퍼커패시터의 거동에 대한 분자 수준의 이해를 진일보시킨 결과”라며 “향후 이온성 액체를 활용한 슈퍼 커패시터 및 다양한 전기장치의 성능 향상에 큰 기여를 할 것”이라고 밝혔다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘물리화학 화학물리학’ 지난 1월 24일 온라인판에 발표됐다. 

메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

댓글 0

작성하기

    의견쓰기 폼
    0/150