성균관대 엄숭호 교수팀, 고성능 에너지저장장치 위한 차세대 전극 재료 개발

성균관대학교는 화학공학부 엄숭호 교수 연구팀이 차세대 에너지 저장 장치의 성능을 획기적으로 향상할 수 있는 고성능 에너지 조립식 저장 물질 친환경 스마트 합성 방법을 개발했다고 15일 밝혔다.

각 구성 소재의 강점을 극대화하는 스마트 적층 기술을 통해 고성능 에너지 저장 장치 구현의 가능성을 입증했다.

연구팀은 이산화망간(MnO₂), 탄소(C), 니켈 셀레나이드(NiSe₂)를 조합한 전극을 개발해 이산화망간의 높은 유사용량성 특성, 탄소의 전도성과 구조적 안정성 개선, 니켈 셀레나이드의 전기화학적 활성을 효과적으로 활용했다. 정교한 코어-쉘 구조(조립식 에너지 물질 실현의 모델 검증을 위한 구조)와 높은 다공성, 전하 수송 효율이 결합된 비대칭 전극은 전기자동차의 필수 구성요소인 슈퍼커패시터(SC, 고출력형 전기 에너지 저장 소자)와 같은 에너지 저장 장치의 성능을 획기적으로 향상해 차세대 전극 재료로 사용됐다.

연구팀이 개발한 조립식 비대칭 전극은 우수한 전기화학적 특성을 입증했다. 조립식 에너지 물질의 비대칭 전극은 272.24㎃h g-1 특정 용량을 달성하고 1만 사이클 후에도 75.8%의 용량을 유지했다.

해당 전극은 실제 하이브리드 슈퍼커패시터 장치에 사용됐을 때 하이브리드 시스템은 53.4 Wh ㎏-1의 우수한 에너지 밀도와 5250W ㎏-1의 고출력 밀도를 제공하면서 기존의 많은 재료에 필적하거나 능가하는 성능을 보였다. 2만 번의 충·방전 후에도 배터리 효율이 96.8%로 높고 용량 유지율도 76%를 기록해 장기적 상용화 가능성을 보였다.

엄 교수는 "이번 연구는 고성능·저비용·지속 가능한 에너지 저장 기술을 향한 중요한 진전"이라며 "나노엔지니어링과 소재 간 시너지를 결합한 이번 설계 전략은 유연 전자기기와 다른 하이브리드 시스템 개발을 위한 로드맵을 제공할 것"이라고 말했다. 또한 "코어-쉘 구조는 다른 전이 금속화합물에도 적용할 수 있어 다양한 응용 분야에 맞춘 슈퍼커패시터 개발로도 확장될 수 있다"고 덧붙였다.

연구팀은 현재 생체 모사 시스템과 이번 연구 결과를 결합한 첨단 전기화학 특성을 더 깊이 이해하기 위한 노력과 차세대 에너지 저장 물질로 활용할 수 있는 최적화 후속 연구를 진행하고 있다.

이번 연구 성과는 화학공학분야 세계적 학술지 엘시비어(Elsevier) 출판의 '화학공학저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 12일 온라인 게재됐다. 수리아 키란 암파살라 박사과정생이 제1저자, 사만다 코콜리가다 박사후연구원이 공동 교신저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 중견 연구자 후속 연구 지원사업과 한-EU 협력진흥사업의 지원을 받아 이뤄졌다.