국내 연구진이 그래핀의 조각형태인 ‘그래핀 플레이크’를 수직으로 세워 충·방전이 2∼3배 빠른 고성능 에너지 저장장치를 개발했다. 빠른 충전이 필요한 전기차에 사용될 에너지 저장장치 개발에 기여할 것으로 기대된다.
미래창조과학부는 이효영 성균관대 화학과 교수(교신저자), 윤여흥 박사(제1저자) 연구팀이 수직 구조체의 환원그래핀 플레이크 필름전극을 만들었다고 16일 밝혔다.
그래핀 플레이크 전극은 높은 비표면적과 전도성을 가져 에너지 저장장치에 적합하지만 전극밀도가 낮아 저장 장치 부피가 커지는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 그래핀 플레이크를 압축하거나 첨가물을 넣어 밀도를 높이려는 연구가 있었으나 수평 구조로 인한 느린 충·방전 속도를 개선하는 것이 관건이었다.
연구팀은 수평이 아닌 수직 구조의 플레이크 필름전극을 만들어 기존 단점을 보완했다. 물에 분산된 산화그래핀 플레이크가 수평구조 필름을 쉽게 만드는 것에 착안해 두루마리 형태의 롤을 제조했다. 이를 절단해 수직 구조체의 환원그래핀 플레이크 필름전극을 만들었다.
빠른 충·방전을 위해서는 전극의 균일한 기공 확보가 관건이다. 연구진은 롤을 이루는 산화그래핀 플레이크 시트 사이에 탄소나노튜브를 위치하도록 해 시트 사이에 규칙적인 기공을 형성했다.
개발된 그래핀 플레이크 전극의 경우 기존 에너지 저장장치보다 높은 에너지 효율을 보였다. 연구팀은 “기존 사용되고 있는 분말형태나 수평구조 그래핀에 비해 개발된 전극은 약 3배의 에너지 저장용량(170 F/cc)을 나타낸다”고 밝혔다. 전극밀도 역시 기존 활성탄이나 그래핀(< 0.5 g/cc) 대비 높은 것(1.18 g/cc)으로 나타났다. 특히 다른 첨가제나 복잡한 공정 없이 수직 구조체를 만들고 이를 규칙적으로 배열해 높은 밀도의 전극을 제조, 높은 비표면적을 갖는 그래핀 플레이크의 장점을 그대로 살릴 수 있어 주목받는다.
이 교수는 “높은 전극밀도를 갖는 수직 구조의 그래핀 플레이크 기술은 고용량 고속의 슈퍼 커패시터와 배터리 충전기 등 차세대 에너지 저장장치 개발에 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 한국전자통신연구원의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 미국화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 ACS 나노지 4월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
전지연기자 now21@etnews.com