마그네슘 이온 기반 고성능 레독스 활성 슈퍼커패시터 개발

윤영수 교수팀 연구결과, Chemical Engineering Journal 게재돼

▲ 왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 이은지 석/박사 통합 과정, 윤영수 교수

KU-KIST 윤영수 교수팀이 전기화학적으로 빠르고 간단하게 탄소 전극 표면에 레독스 활성 기능을 유도할 수 있는 역충전 반응 기술을 개발하였으며 이를 기반으로 기존 전극 대비 5배 이상 높은 용량을 나타내는 마그네슘 이온 기반 고성능 레독스 활성 슈퍼커패시터를 개발함

본 연구내용은 KU-KIST융합대학원의 이은지 석‧박사통합과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며 강원대학교 임형규 교수 연구팀, 인하대학교 진형준 교수 연구팀의 도움을 받아 진행되었다.

본 연구는 “4 V-class magnesium-ion pseudocapacitors fabricated using an in situ inverse-charging process”라는 제목으로 지난 7월 29일에 Chemical Engineering Journal에 온라인 게재 되었으며, 다가오는 10월 1일에 확정 출판 될 예정이다.

▲ 전기화학적 역충전법을 통한 정전용량의 향상 및 제 1원리 계산을 통해 규명한 마그네슘 이온의 레독스 활성 메커니즘을 나타낸 이미지 

슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면에서 이온들의 물리적 흡탈착을 통해 에너지를 저장하는 에너지저장장치로써, 충전 및 방전 속도가 매우 빠르고 수명특성이 매우 우수한 장점을 가진다. 그러나 리튬 이온 배터리와 비교하여 현저하게 낮은 에너지 밀도 때문에 휴대용 전자기기 및 전기자동차 등 빠르게 성장하고 있는 산업에 적용하는데 한계가 있다. 따라서 이를 극복하기 위한 해결책으로 전극 활성 표면에서 산화환원 반응을 통해 전하를 저장할 수 있는 레독스 활성 슈퍼커패시터 개발이 진행되고 있으며, 매우 향상된 정전용량을 구현할 수 있음이 확인되었다. 한편, 마그네슘은 매장량이 풍부한 자원으로, 작은 이온 반경과 낮은 산화환원 전위 및 다가이온의 이점이 있어 리튬 기반 이차전지를 대체할 수 있는 차세대 에너지저장장치용 자원으로 여겨지고 있다.

본 연구진은 간단한 역충전 기술을 통해 이차전지 셀을 구성하는 나노구조화 된 전극 활물질 표면에 레독스 활성 기능을 유도할 수 있음을 최초로 규명하였으며, 이를 통해 고성능 레독스 활성 마그네슘 슈퍼커패시터를 개발하였다. 역충전 기술은 역방향으로 전압을 인가하는 순환전압전류법을 통해 제어되었으며, 전기화학적으로 레독스 활성이 제어된 탄소전극을 제조할 수 있었다. 또한, 제1원리 계산을 통해 역충전법으로 생성된 카보닐 작용기와 마그네슘 이온 사이의 레독스 메커니즘을 규명하였다. 본 연구를 통해 제조된 레독스 활성 전극소재를 음극으로 사용하여 4 V 의 넓은 전압창에서 초기 용량 대비 5배 이상의 용량을 성취하였으며, 5000회 이상의 안정적인 충/방전을 구현하였다. 이는 기존에 보고된 알칼리 이온 슈퍼커패시터보다 에너지 밀도를 약 2.6배까지 높일 수 있어서 차세대 에너지 저장장치로써 높은 잠재성을 가지고 있음을 나타낸다.