2023. 9. 18.

마그네슘 이온 기반 고성능 레독스 활성 슈퍼커패시터 개발

역충전 반응 기술 개발해 초기 용량 대비 5배 이상 용량 성취 가능케 만들어

윤영수 교수팀 연구결과 ‘Chemical Engineering Journal’ 게재

□ 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST융합대학원 윤영수 교수팀이 역충전 반응 기술을 기반으로 기존 전극 대비 5배 이상 높은 용량을 나타내는 마그네슘 이온 기반 고성능 레독스 활성 슈퍼커패시터를 개발했다.

□ 슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면에서 이온들의 물리적 흡탈착을 통해 에너지를 저장하는 에너지저장 장치로 충전 및 방전 속도가 매우 빠르고 수명특성이 매우 우수한 장점을 가진다. 그러나 리튬 이온 배터리와 비교하여 현저하게 낮은 에너지 밀도 때문에 휴대용 전자기기 및 자동차 등 빠르게 성장하고 있는 산업에 적용하는데 한계가 있다.

□ 연구팀은 간단한 역충전 기술을 통해 이차전지 셀을 구성하는 나노구조화된 전극 활물질 표면에 레독스 활성 기능을 유도할 수 있음을 최초로 규명했으며, 이를 통해 고성능 레독스 활성 마그네슘 슈퍼커패시터를 개발했다. 역충전 기술은 역방향으로 전압을 인가하는 순환전압전류법을 통해 제어됐으며, 전기화학적으로 레독스 활성이 제어된 탄소전극을 제조할 수 있었다. 또한, 제1원리 계산을 통해 역충전법으로 생성된 카보닐 작용기와 마그네슘 이온 사이의 레독스 메커니즘을 규명했다. 

□ 최종적으로 연구진은 제조된 레독스 활성 전극소재를 음극으로 사용하여 4 V 의 넓은 전압창에서 초기 용량 대비 5배 이상의 용량을 성취했으며, 5000회 이상의 안정적인 충/방전을 구현했다. 이는 기존에 보고된 알칼리 이온 슈퍼커패시터보다 에너지 밀도를 약 2.6배까지 높일 수 있어서 차세대 에너지저장 장치로써 높은 잠재성을 가지고 있음을 나타낸다.

□ 이번 연구 내용은 KU-KIST융합대학원의 이은지 석박사통합과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행했으며, 강원대학교 임형규 교수 연구팀, 인하대학교 진형준 교수 연구팀의 도움을 받아 진행됐다. 이번 연구는 “4 V-class magnesium-ion pseudocapacitors fabricated using an in situ inverse-charging process”라는 제목으로 지난 7월 29일에 Chemical Engineering Journal에 온라인 게재됐으며, 다가오는 10월 1일에 확정 출판 될 예정이다.

KU-KIST융합대학원 윤영수 교수(02-3290-4619)

커뮤니케이션팀 (02-3290-1063)