물 기반 아연-이온 하이브리드 슈퍼커패시터 시작품. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 안건형 교수팀의 에너지시스템공학과 석사과정 윤기혁 학생이 단독 1저자로 참여한 논문이 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'(IF 16.7, JCR 상위 2.5%) 최신호에 게재됐다.

논문 제목은 '고성능 에너지 저장을 위한 그래핀 및 도핑된 탄소 나노튜브를 활용한 아연 음극의 표면 보호와 결정핵 형성 촉진 및 표면적 향상(Surface Protection and Nucleation Enhancement of Zinc Anode with Graphene and Doped Carbon Nanotubes for High-Performance Energy Storage)'이다.

전 세계적으로 에너지 및 환경 관련 문제가 중요시됨에 따라서, 전기화학 에너지 저장 시스템의 용도가 늘어나고 있지만 폭발 및 화재라는 치명적인 사고가 계속해서 발생하고 있다. 아연-이온 슈퍼커패시터는 안정적인 아연금속과 물을 기반으로 하는 전해질을 사용하기 때문에 폭발 및 화재 위험성이 없으며 친환경성, 저렴한 가격, 고안전성 및 높은 에너지 밀도와 같은 장점으로 에너지 저장 시스템에 적합하다는 주목을 받고 있다.

하지만, 아연-이온 슈퍼커패시터는 몇 가지 제한적인 측면으로 인해 산업 진출이 더뎌지고 있다. 이러한 이유는 음극에서의 활성 사이트의 한계, 낮은 젖음성, 전극에서의 불균일한 아연 덴드라이트 형성으로 인해 낮은 사이클링 안정성과 이로 인한 용량 저하 등 때문이다. 따라서, 이를 극복할 수 있는 고성능 및 고안전성 음극 개발이 필요한 상황이다.

경상국립대 스마트에너지재료연구실 연구팀은 아연 음극 표면에서의 제한적 요소들을 복합 탄소 보호층을 활용해 해결하는 전략을 통해 안정적이며 고성능인 물 기반 아연-이온 슈퍼커패시터를 개발했다.

이 연구에서는 아연 음극 표면에 그래핀과 탄소나노튜브를 보호층으로 활용했는데, 그래핀 보호층은 아연 음극의 부식을 억제하고 부산물 생성을 완화하는 데 중요한 역할을 했으며 탄소나노튜브는 다수의 핵 생성 활성 부위를 제공함으로써 균일한 덴드라이트 성장에 기여했다.

또한 탄소나노튜브의 탄소 격자에 비금속 원소인 플루오린과 질소를 도핑해 전해질과 전극 사이의 젖음성을 향상시키고, 계면 전도성과 확산 능력을 향상시켰다. 결과적으로 음극에서의 보호층을 통해 제한적 요소들을 억제했으며 기능성 복합 탄소재료를 통해 전기화학적 성능을 향상시켰다.

이번 논문의 제1저자로 참여한 경상국립대 석사과정 윤기혁 씨는 "항상 좋은 경험과 가르침을 주시는 지도교수님께 감사드린다"며 "에너지공학 분야에서 권위 있는 국제 학술지에 연구 결과가 인정받아 게재된다는 사실에 매우 기쁘고 영광으로 생각한다. 앞으로도 안전한 차세대 에너지저장기술의 발전을 위해 노력할 것이다"고 말했다.

연구 책임자인 안건형 교수는 "이번 연구는 안전하고 친환경적인 물 기반의 에너지저장기술의 한계점을 극복한 것으로서, 기술의 산업화 진출을 위한 핵심 개발로 주목할 만한 가치가 있어 산업화에도 적극적으로 도전할 계획이다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 신진연구자지원사업 및 산업통상자원부의 세라믹전략기술개발사업의 지원뿐만 아니라, 경상국립대학교기술지주/기술비즈니스센터의 기술사업화 프로그램을 지원받아 이뤄진 결과이며, 국내 특허 출원 절차가 완료되어 전문기술에 대한 지식재산권도 확보했다.