기존 소재보다 6.5배 뛰어난 성능을 보이면서 1만 사이클 이상의 긴 수명을 갖는 차세대 에너지 저장소재가 개발됐다. 높은 에너지 밀도, 빠른 충·방전 속도, 영구적 수명을 갖는 전기 저장장치 개발로 이어질 전망이다.
강정구 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수, 최경민 KAIST 재료공학과 박사 공동 연구팀은 금속유기물질을 이용한 세계 최초의 슈퍼커패시터를 개발했다고 30일 밝혔다.
슈퍼커패시터는 급속 충방전이 가능하고 반영구적인 수명을 가져 차세대 에너지 저장 장치로 주목받았지만 전기 저장량이 상대적으로 적어 독립적으로 쓰기 어려웠다. 이 때문에 탄소나 금속산화물을 다공성 물질로 가공해 이런 한계를 극복하려는 시도도 계속됐다.
연구진은 금속유기구조체를 나노미터(㎚) 크기로 제작하고 그래핀과 합성해 고용량·고출력 슈퍼커패시터 개발에 성공했다. 최적의 구조를 찾기 위해 유기기능기, 금속작용기, 결정 크기 및 가공 크기에 따라 다른 설계를 적용하고 특성을 분석했다.
개발된 소재는 기존 탄소물질의 6.5배 성능을 가지면서 1만 사이클 이상의 긴 수명도 유지했다. 높은 에너지 밀도와 빠른 충방전 속도가 요구되는 전기자동차, 모바일 기기 등 분야에 응용할 수 있다.
연구진은 “초다공성 금속유기물질을 사용해 고용량 에너지 저장장치를 만든 첫 사례”라며 “다양한 기능성을 갖는 새로운 금속유기물질 디자인을 통해 원천소재 개발·사용에 큰 역할을 할 것”이라고 기대했다.
공정 최적화를 통한 고효율 물질 합성, 두꺼운 필름 제조기술, 고유 특성을 제어한 전지제조공정 개발 등이 실용화 과제다.
이번 연구는 미래창조과학부가 지원하는 글로벌프론티어사업 ‘하이브리드인터페이스기반미래소재연구단’ 내 공동 작업으로 수행됐다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘ACS 나노’ 6일자 온라인판에 실렸다.
송준영기자 songjy@etnews.com