KU-KIST융합대학원 이은지 석박사통합과정(왼쪽), 윤영수 교수(오른쪽)

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.

전기화학적 역충전법을 통한 정전용량의 향상 및 제1원리 계산을 통해 규명한 마그네슘 이온의 레독스 활성 메커니즘을 나타낸 그림.

심지현 기자  bodo@emoneynews.co.kr

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