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고성능 슈퍼커패시터 구현한 국제 공동연구진...상용화 기대
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고성능 슈퍼커패시터 구현한 국제 공동연구진...상용화 기대
  • 김수철 기자
  • 승인 2021.09.15 13:38
  • 댓글 0
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상압 플라즈마 조건하 대용량 불소처리 그래핀 분말 제조법 개발 성공
KBSI-전남대-쾰른대(독일), 국제공동연구
탄소기반 경량소재 전하저장용량 획기적 증대

태양광이나 풍력 등 청정에너지로 온실가스 배출이 제로인 신재생에너지는 전력의 품질과 저장 문제를 해결하기 위해 전력 사용 효율을 향상하는 에너지 저장 시스템인 ESS(Energy Storage System)가 중요하다. 이에 사용되는 축전기, '커패시터(capacitor)'는 전기 에너지를 저장할 수 있는 소자다.

산업용 용도에 사용되는 PCB 장착용 슈퍼커패시터(Super Capacitor)의 방사형 스타일/사진=Elcap, 그래프=한국전력공사 ⓒ케미컬뉴스CG

급속 충전이 가능하고 순간적으로 고출력 전기를 낼 수 있는 '슈퍼커패시터(Super Capacitor)'는 리튬 이온 배터리보다 훨씬 가볍고 수명이 길며, 위험 물질이 필요하지 않지만, 배터리보다 훨씬 에너지 저장용량이 낮다는 한계가 있었다.

탄소기반 나노소재로서 전기적, 기계적, 물리적, 화학적 특성이 매우 뛰어난 그래핀을 전극소재로 활용한 에너지 저장소자 연구가 전 세계적으로 활발히 전개되고 있는 가운데, 국제 공동연구진이 불소 도핑된 분말형 그래핀을 전극으로 도입해 슈퍼커패시터의 저장용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다는 것을 발견해 화제다. 

소가 도핑된 분말형 그래핀을 활용한 슈퍼커패시터 소재의 충․방전과정 형상화 /연구그림=한국기초과학지원연구원(KBSI) 제공

한국기초과학지원연구원(KBSI)과 전남대, 쾰른 대학교연구팀이 공동연구를 통해 상압 플라즈마를 이용해 대량으로 불소가 도핑된 그래핀 분말 제조법을 세계 최초로 개발했다고 15일 밝혔다.

이들 공동연구팀은 전남대학교 신소재공학부 심욱 교수 연구팀, 쾰른대학교 이론화학그룹 최희채 박사 연구팀, 한국핵융합에너지연구원(KFE) 응용플라즈마연구팀 석동찬 연구원 연구팀이 참여했다. 개발한 불소 도핑 그래핀은 이번 연구팀이 개발한 장치인 유전체장벽방전(dielectric- barrier discharge: DBD) 반응기를 통해 상압에서 플라즈마를 발생시켜 분말 그래핀에 직접적으로 불소이온을 결합시키는 건식공정 방식이다. 

(a)분말형 그래핀이 진동에너지가 가해진 진동이송스테이지에 투입되어 공중으로 띄워지고, 계단식 구조의 3step 반응통로를 통해 플라즈마에서 발생된 불소라디칼과 접촉 및 반응을 하며 불소도핑되면서, 포집필터(FGO)를 통해 대량 회수, (b) 불소도핑용 유전체장벽방전(dielectric-barrier discharge: DBD) 반응기 실제 이미지 /이미지=KBSI 제공

특수 제작된 반응기 내부는 일정속도로 진동하는 판으로 설계하여, 분말 그래핀이 균일하게 불소이온과 반응할 수 있도록 분산시키고 반응통로를 통해 이동하도록 설계했다. 이로인해 분말 그래핀의 투입량이 연속적으로 이루어질 수 있어, 대량으로 분말 그래핀의 불소 도핑을 가능케 했다는 게 연구팀의 설명이다.

전극소재로 널리 쓰이는 탄소기반 나노소재는 가볍고, 높은 전기전도도, 낮은 비용 등의 장점을 가졌으며, 탄소원자 간 결합이 공유결합 성질을 띠게 되는데, 불소 도핑으로 정전기적 인력으로 원자 간 결합하는 형태의 이온결합 성질을 띠게 만들면 유전율이 향상되고 전하 저장용량을 획기적으로 증가할 수 있다는 것을 실험과 양자역학 계산을 통해 발견했다는 것이다.

왼쪽부터 KBSI 문준희 박사(공동교신저자), KBSI 차함초롬 연구원(공동 제1저자), 전남대 심욱 교수(공동교신저자), 쾰른대학교 최희채 박사(공동교신저자) /사진=KBSI 제공

KBSI와 KFE 연구팀이 공유결합과 이온 결합의 중간 성질을 내는 준이온 결합이 존재함을 밝혀냈고, 전남대 연구팀이 슈퍼커패시터 성능 확인 실험을 진행했으며, 쾰른 대학교 연구팀이 계산화학 기법을 통해 준이온결합이 슈퍼커패시터 성능 향상에 미치는 영향에 대해 밝혀냈다.

이번 연구는 화학분야 세계적 권위 학술지인 'Chemical Engineering Journal'誌 온라인판에 논문명 'Fluorine-doped graphene oxide prepared by direct plasma treatment for supercapacitor applications'로 8월 31일 게재되었다.


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