윤태영 교수팀 개발…1만 번 충방전 후도 92.2% 성능 유지
이차원 나노소재 맥신, 계면공학·롤코팅·양자역학 계산 결합
연구 성과는 화학공학 분야 세계적 국제학술지 'Chemical Engineering Journal(Impact Factor 12.5, JCR 분야 상위 4%)'에 게재됐다.
윤태영 교수에 따르면 웨어러블 전자기기와 유연 전자소자의 빠른 성장으로 가볍고 자유롭게 구부릴 수 있으면서도 높은 에너지와 출력을 안정적으로 저장할 수 있는 차세대 에너지저장장치의 필요성이 커지고 있다.
그러나 기존 배터리는 높은 에너지밀도에도 불구하고 충·방전 속도가 느리고 반복적 변형에 취약하고, 슈퍼커패시터는 빠른 충·방전과 긴 수명의 장점이 있지만 상대적으로 낮은 에너지밀도가 한계로 지적돼 왔다.
또, 고성능 전극 소재로 꼽히는 맥신은 높은 전기 전도도를 갖지만 얇은 층들이 서로 다시 겹쳐지는 재적층(restacking) 현상으로 이온이 이동할 수 있는 공간과 전기화학적 활성면적이 감소하는 문제가 있었다.
이에 윤태영 교수 연구팀은 맥신과 금속유기골격체에서 유래한 산화철(Fe₂O₃)을 결합한 새로운 이종계면(heterointerface) 전극 구조를 설계했다.
또한 산화철 나노입자를 맥신 층과 결합시켜 맥신의 재적층과 입자 응집을 억제하는 동시에 맥신의 높은 전기 전도성과 산화철의 우수한 산화·환원 특성을 함께 활용했으며, 여기에 전극 소재를 탄소섬유 기판에 균일하게 압착하는 롤코팅 공정을 적용하여 얇고 균일하면서도 유연한 전극을 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 전극 두께와 표면 균일도가 에너지 저장 성능을 좌우한다는 사실도 규명했다.
롤 간격을 최적화하여 제조한 전극은 수작업으로 제작한 전극보다 균일한 표면과 낮은 전하 이동 저항을 나타냈으며, 전해질과 전극 소재의 접촉을 촉진해 전기화학적 성능을 크게 향상시켰다.
특히 롤코팅 공정은 단순 전극 제조 기술을 넘어 소재 간 접촉과 전자 이동 경로를 제어하는 핵심 공정으로 작용했다.
아울러 연구팀은 밀도범함수이론(Density functional theory, DFT) 기반 양자역학 계산을 통해 이러한 성능 향상의 원인을 원자 수준에서 규명했다.
계산 결과, 개별 맥신과 산화철에서는 전자가 이동할 수 있는 상태가 제한적이었지만 두 소재가 계면을 형성하자 전자 이동을 촉진하는 새로운 전자 상태가 형성되는 것으로 나타났다.
특히 맥신 표면의 수산기(–OH)가 존재하는 계면에서는 페르미 준위 부근의 전자 상태가 크게 증가해 빠른 전하 이동에 유리한 전자 구조가 형성됐다.
원자 단위의 전하밀도 분석에서는 산화철과 맥신 사이에서 뚜렷한 전하 재분배와 강한 계면 결합이 발생하는 것으로 확인됐고, 이러한 계면은 전해질 속 수산화이온(OH⁻)의 흡착과 탈착을 효과적으로 조절해 빠르고 반복 가능한 산화·환원 반응을 가능하게 했다.
연구팀이 개발한 맥신/산화철 음극은 1A/g의 전류밀도에서 421F/g의 높은 비정전용량을 나타냈다.
여기에 금속유기골격체에서 유래한 MnCo₂O₄ 양극을 결합해 플렉시블 비대칭 슈퍼커패시터를 제작했으며, 최종 소자는 400W/kg의 출력밀도에서 30Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 달성했다.
특히 1만 번 반복적인 충·방전 이후에도 초기 성능의 92.2%를 유지해 뛰어난 장기 안정성을 입증했다.
윤 교수는 "이번 연구는 단순히 새로운 전극 소재의 성능을 높이는 데 그치지 않고 원자 수준의 계면 설계가 실제 전극 제조 공정과 에너지저장장치 성능으로 어떻게 이어지는지를 체계적으로 규명했다는 점에서 학술적 의의가 크다"고 강조했다.
또 "기존의 실험실 단위 나노소재 연구에서 한 단계 나아가 롤코팅 기반의 확장 가능한 전극 제조 가능성을 제시했다는 점에서도 의미가 있다"면서 "향후 웨어러블 전자기기, 유연 센서, 휴대용 전자장치 등 높은 출력과 반복적인 기계적 변형이 동시에 요구되는 차세대 에너지저장 시스템 개발에 활용될 것으로 기대된다"고 말했다.
이번 연구는 국립창원대 G-램프(LAMP)사업단, 과학기술정보통신부 세종과학펠로우십, BK21 스마트공장 교육연구단 지원을 받아 국립창원대 윤태영 교수 연구팀과 연세대학교 기계공학부 전성찬 교수 연구팀이 공동 수행했으며, 국립창원대 기계공학과 염준빈 학생과 DNA+연구소 신홍철 연구원이 참여했다.
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