"슈퍼커패시터도 배터리처럼 오랜 시간 사용할 수 있을까?" 
김웅 교수팀 수계전해질 기반 고에너지 밀도 슈퍼커패시터 개발

연구결과 국제학술지 ACS Energy Letters 게재

▲ 왼쪽부터 박진우 박사(제1저자), 이준영 석사(제2저자), 김웅 교수(교신저자)

공과대학 신소재공학부 김웅 교수팀은 체계적으로 전해질을 설계하여 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 10배 이상 향상시켰다. 새로운 전해질은 고농도염 수계 전해질에 두 쌍의 산화·환원 활성 물질을 첨가하는 방식으로 제조했다.
* 염 : 양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합한 화합물
* 전해질 : 염이 물 등의 용매에 양이온과 음이온으로 해리된 용액으로, 이온들의 이동을 통해 전류를 흐르게 하는 에너지 저장 소자의 주요 구성요소
* 산화·환원 활성 물질 : 원자의 산화수가 달라지는 화학 반응을 일으키는 물질
* 슈퍼커패시터 : 전극 표면에 전해질 이온이 정전기적 인력에 의해 물리적으로 흡·탈착하여 에너지를 저장·방출하는 에너지 저장소자

이번 연구 성과는 에너지 분야 저명 학술지인 ACS Energy Letters (IF: 23.101)에 3월 8일자 (미국 현지시간 기준) 온라인 게재됐으며, 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원으로 진행됐다.
- 저자정보 : 박진우 박사(제1저자, 고려대 공학연구원), 이준영 석사(제2저자, 고려대 신소재공학부), 김웅 교수(교신저자, 고려대 신소재공학부)
- 논문명 : Redox-Active Water-in-Salt Electrolyte for High-Energy-Density Supercapacitors
- ACS Energy Lett. 2022, 7, 1266-1273

물을 기반으로 하는 수계 전해질은 높은 전도도, 낮은 휘발성, 낮은 가연성, 높은 환경 친화성, 낮은 가격 등의 수 많은 장점을 갖고 있다. 하지만, 결정적으로 1.23 V 이상의 전압을 가하면 분해되기 때문에 그 이상의 높은 전압에서는 사용할 수 없어서 응용 분야가 제한적이었다. 이러한 단점을 보완하는 고농도염 수계 전해질은 적은 수의 자유 물 분자 및 이온-물 분자 사이의 강한 상호작용으로 인하여 전기화학적 물분해가 억제되고, 이로 인해 넓은 작동 전압범위 (2~3 V) 특성을 갖게 된다. 하지만, 고농도염 수계 전해질 기반 슈퍼커패시터 조차도 물리적 이온 흡·탈착에 의해서만 에너지를 저장하므로, 충·방전 시 저장될 수 있는 용량이 기존 배터리와 비교했을 때 상당히 낮은 수준이었다.

김웅 교수팀은 고농도염 수계 전해질에 두 쌍의 산화·환원 활성 물질 (브로민화물, Br 과 코발토세늄, Cc+)을 첨가함으로써, 산화·환원 반응을 통해 슈퍼커패시터의 저장 용량을 큰 폭으로 증진시켰다. 이 때, 두 쌍의 산화·환원 활성 물질은 전해질의 안정 전압 영역, 산화·환원 전위, 용해도 등 다양한 물리화학적 특성을 종합적으로 고려하여 체계적으로 설계됐다. 또한, 첨가한 산화·환원 활성 물질의 농도에 따른 슈퍼커패시터의 특성 변화를 비교 및 분석함으로써, 고용량-고전압 특성을 모두 구현할 수 있는 최적의 조성 배합을 선별했다.

이 연구를 통하여 개발된 ‘산화·환원 활성 물질이 포함된 고농도 수계 전해질 기반 슈퍼커패시터’는 단순 고농도 수계 전해질 기반 슈퍼커패시터 대비 최대 10 배 이상의 용량을 나타냈다(7.7 → 83.8 mA h g-1). 또한 일반 수계전해질 기반 슈퍼커패시터에 비해 2배가량 높은 셀 전압 (2.1 V) 특성을 보여주었다. 새로 개발된 슈퍼커패시터는 매우 우수한 에너지 밀도 특성 (91.8 W h kg-1)을 나타낼 뿐 만 아니라, 출력전압이 선형으로 감소하는 기존의 슈퍼커패시터와는 달리 출력되는 전압이 고전압에서 일정하게 유지되는 우수한 특성을 보였다. 이는 다양한 전자기기에 전기에너지를 공급할 때에 고려해야 하는 매우 중요한 특성이다. 아번 연구 결과는 슈퍼커패시터의 고성능화 연구에 주춧돌이 될 것으로 평가된다.

▲그림 1. 산화·환원 활성 전해질 슈퍼커패시터 모식도 (좌측 상단). 단일벽 탄소나노튜브와 탄소 종이의 주사 전자 현미경 사진 (우측 상단). 산화·환원 활성 전해질을 이루는 물질들의 분자 구조 (좌측 하단). 지지 전해질 (17 mol kg–¹ NaClO4)의 선형 주사 전압-전류 곡선 (주사 속도 = 10 mV s-1, 검정선) 및 산화·환원 활성 물질인 브로민화물 (~0.6 mol kg-1, 주사 속도 = 2 mV s-1, 빨간선)과 코발토세늄 (0.05 mol kg-1, 주사 속도 = 20 mV s-1, 파란선)이 각각 포함되었을 때의 순환 전압-전류 곡선 (우측 하단).

▲그림 2.  산화·환원 활성 물질 첨가 전/후 특성 변화 비교: 슈퍼커패시터의 정전류 충·방전 곡선 (검정색) 및 양극 (빨간색)과 음극 (파란색)에서의 전압 변화 (상단, 전류 밀도 = 2.5 A g-1). 파워 밀도 vs. 에너지 밀도 그래프 (좌측 하단). 정전류 방전 곡선 (우측 하단, 전류 밀도 = 5 A g-1)