GIST, ‘커패시터’ 한계 넘는 차세대 에너지 저장 기술 개발

박찬호 GIST 화학과 교수(왼쪽), 조영훈 신소재공학과 박사과정생, 유승준 교수, 김종경 박사. [사진=광주과학기술원]

[이뉴스투데이 김진영 기자] 광주과학기술원(GIST)은 커패시터의 낮은 에너지 밀도를 개선한 차세대 에너지 저장 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 커패시터의 빠른 충·방전과 긴 수명은 유지하면서 배터리에 근접한 에너지 저장 성능을 구현했다는 점에서 주목된다.

박찬호(화학과)·유승준(신소재공학과) 교수 공동연구팀은 전극과 전해질 계면 물질 상호작용을 정밀 제어해 레독스 슈퍼커패시터의 성능을 획기적으로 향상했다.

기존 자가 방전과 충·방전 효율 저하라는 한계를 해결하기 위해 펜틸바이올로젠(PV)과 브로마이드(Br)를 각각 음극·양극 전해질로 사용하는 듀얼 레독스 시스템을 도입했다. 이 두 물질은 충·방전 중 고체 화합물을 형성해 자가 방전을 억제하고 에너지 손실을 줄이는 효과가 있다.

두 활성물질의 분자 크기가 다른 점에 주목해 미세기공(2nm 이하)과 중형기공(2~50nm)이 적절히 혼합된 다공성 탄소 전극을 새롭게 합성했다. 기존 공정 대비 단순하고 저렴한 방식으로 제작된 이 전극은 PV 분자의 흡착과 확산을 극대화하며 계면 반응 효율을 끌어올렸다.

연구팀은 비표면적 3,309㎡/g, 기공 부피 2.38㎤/g를 갖춘 탄소 전극(K1.5_TO)을 활용해 수계 레독스 커패시터 시스템에서 125Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 구현했다. 배터리 수준에 근접한 수치로 커패시터 기술의 한계를 뛰어넘는 성과다.

박찬호 교수는 “계면 상호작용 제어를 통해 커패시터의 에너지 저장 성능을 끌어올린 사례”라고 말했고, 유승준 교수는 “소재 간 상호작용에 대한 정교한 이해가 고성능 레독스 시스템 설계에 핵심이 될 것”이라고 강조했다.

한편, 해당 연구는 한국연구재단의 탄소중립 기술개발사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받았다. 지난달 28일에는 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 온라인 게재됐다.