Advanced Hybrid Supercapacitor Based on a Mesoporous Niobium Pentoxide/Carbon as High-Performance Anode
국내 연구진이 차세대 에너지 저장장치로 주목받는 하이브리드 슈퍼커패시터*의 용량과 충전속도를 높이고 수명을 향상시킬 수 있는 물질을 발굴했다. 배터리의 높은 에너지와 축전지의 우수한 출력특성을 모두 만족해 전기자동차의 에너지원으로 주목받는 하이브리드 슈퍼커패시터의 효율향상을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.
* 하이브리드 슈퍼커패시터(Hybrid Supercapacitor) : 배터리(리튬이온 이차전지) 처럼 산화/환원 반응을 통해 에너지를 저장하는 음극물질과 축전지(전기이중층 커패시터)와 같이 전기이중층에 전하를 모으는 양극물질을 사용한 하이브리드 에너지 저장장치. 양쪽 전극에 각기 다른 에너지 저장방식을 사용하는 경우 하이브리드를 덧붙인다.
포항공대 화학공학과 이진우 교수(교신저자), 임은호 박사과정 연구원(제 1저자)이 주도하고 서울대 강기석 교수 및 중앙대 윤성훈 교수 연구진이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(핵심), 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 에이씨에스 나노지(ACS NANO) 8월 19일(온라인판)자에 게재되었다.
(논문제목 : Advanced Hybrid Supercapacitor Based on a Mesoporous Niobium Pentoxide/Carbon as High-Performance Anode)
하이브리드 슈퍼커패시터에서 에너지를 저장하는 역할을 하는 음극물질로는 빠른 출력 특성을 장점으로 갖는 티타늄(Ti) 기반의 산화물이 주로 쓰인다.
하지만 티타늄 기반 산화물은 이론용량*과 전기전도성이 낮아 새로운 음극물질을 개발하려는 연구가 활발하다.
* 이론용량 : 주어진 방전 조건하에서 전지를 완전히 방전시켰을 때 얻을 수 있는 전하량으로서 전류와 시간의 곱으로 표기
연구팀은 티타늄 보다 전기화학적 성능이 우수한 나노기공이 있는 니오비윰계 산화물*에 탄소를 코팅한 복합체를 음극물질로 활용한충전이 빠른 고용량 하이브리드 슈퍼커패시터를 구현했다.
* 니오비윰계 산화물(Nb2O5) : 우수한 출력 특성을 지녀 주로 리튬이온 이차전지의 음극물질로의 활용이 기대되는 무기물질
만들어진 하이브리드 슈퍼커패시터는 약 1분 만에 최대 용량의 60%를 충전할 수 있는 고속 충전성능을 나타냈다.
또 기존 티타늄을 음극소재로 활용한 경우에 비해 에너지용량이 약 1.5배에 달하는 것으로 나타났다.
기공을 통해 이온이 이동하면서 많은 이온을 저장할 수 있고 탄소 코팅으로 전기전도성을 높여 전자가 원활히 움직일 수 있기 때문이다.
한편 1,000회의 충/방전에도 초기 용량의 90% 이상을 유지하는 것으로 나타나 300회의 충/방전에 초기 용량의 90%를 유지하는 기존 티타늄 기반 배터리에 비해 장수명 특성을 보인다는 설명이다.
이 교수는 “최근 개발된 하이브리드 슈퍼커패시터 중에서도 우수한 에너지 및 출력밀도를 갖는 사례로 향후 추가 연구를 통하여 하이브리드 전기자동차 또는 전기자동차의 차세대 에너지 저장 장치로의 활용이 기대된다”고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
효율적인 에너지 사용을 위해 리튬이온 이차전지(Lithium ion battery) 및 슈퍼커패시터(supercapacitor) 같은 친환경 에너지 저장장치에 대한 연구가 활발하다. 그러나 기존의 장치들은 각각의 저장 메커니즘에 따라, 높은 에너지 및 출력 밀도를 동시에 만족하지는 못했다. 예를 들어, 리튬과 전극물질의 산화/환원 반응을 이용하여 에너지를 저장 및 방출하는 리튬이온 이차전지는 우수한 에너지 밀도를 갖지만, 낮은 출력 밀도 및 사이클 특성을 가지고 있다. 반면, 전극과 전해질 계면의 전기이중층에 전하를 모으거나, 전극과 전해질의 산화/환원 반응을 통하여 전하를 저장하는 슈퍼커패시터는 우수한 사이클 특성 및 높은 출력 밀도를 갖지만, 낮은 에너지 밀도를 갖는다는 단점이 있다.
최근 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle) 및 전기자동차(Electric Vehicle) 등에 대한 관심이 커짐에 따라 고 에너지 및 출력 특성을 동시에 갖는 차세대 에너지 저장장치에 대한 요구가 점차 커져가고 있다. 따라서 본 연구진은 고 에너지 및 출력 밀도 뿐만 아니라 장수명 특성을 가질 수 있는 하이브리드 슈퍼커패시터(Hybrid Supercapacitor)에 대한 연구를 진행하였다.
2. 연구내용
하이브리드 슈퍼커패시터는 음극(anode)에 Li4Ti5O12와 같은 출력 밀도가 우수한 리튬이온 이차전지 전극물질을 사용하며, 양극(cathode)에는 슈퍼커패시터 전극물질인 활성화탄소(activated carbon) 등을 사용해 왔다. 위와 같은 리튬이온 이차전지-슈퍼커패시터 하이브리드 시스템을 도입함으로써, 리튬이온 이차전지와 슈퍼커패시터가 갖는 각각의 단점을 보완하고 장점을 융합한 차세대 에너지 저장장치 중에 하나로 인지되어 왔다.
하지만 리튬이온 이차전지 음극물질은 리튬의 삽입/탈리 반응을 기반으로 에너지를 저장하므로, 전극과 전해질 계면의 전기이중층에 전하를 모으는 양극의 빠른 에너지 저장 메커니즘(슈퍼커패시터의 에너지 저장 메커니즘)에 비해 현저하게 느리기 때문에, 양쪽 전극의 반응 메커니즘 속도를 잘 맞추는 것이 중요하게 여겨져 왔다.
따라서 Li4Ti5O12와 같이 속도특성이 우수한(고 출력 밀도) 전극물질들이 하이브리드 슈퍼커패터의 음극물질로 많이 사용되어 왔다. 하지만, 현재 보고되어 있는 Li4Ti5O12는 낮은 이론용량(~175 mA h g-1)과 ~1.55 V(vs. Li/Li+)에서의 플래토(plateau) 현상으로 인하여 제한적인 전압영역을 사용한다는 단점을 가지고 있다.
2013년 UCLA Bruce Dunn 연구진이 네이처 머티리얼스지(Nature Materials)에 니오비윰계 산화물(Nb2O5)이 Li4Ti5O12에 비하여 우수한 이론용량(~200 mA h g-1) 및 속도특성을 갖는다고 보고하였다. 하지만, 니오비윰계 산화물의 낮은 전기전도성은 전극물질로서의 활용에 큰 걸림돌로 여겨진다.
본 연구진은 니오비윰계 산화물의 우수한 속도특성이 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극물질로 적합하다고 판단하여, 메조다공성 니오비윰계 산화물/탄소 복합체를 합성하였고, 이를 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극물질로 활용함으로써, 기존의 하이브리드 슈퍼커패시터 음극에 새로운 전극물질을 도입함과 동시에, 전극물질로서 니오비윰계 산화물이 가지는 문제점을 극복하는 계기를 마련하였다.
3. 기대효과
본 연구는 기존 티타늄(Ti) 기반 물질을 뛰어 넘는 새로운 니오비윰계 산화물/탄소 복합체를 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극물질로 사용함으로써 하이브리드 슈퍼커패시터의 성능을 향상시켰다. 최대 에너지 밀도 74 W h kg-1과 최대 출력 밀도 18,510 W kg-1를 달성하였다. 뿐만 아니라 최대 출력 밀도에서도 15 W h kg-1의 에너지 밀도를 달성하였다. 향후 추가적인 연구를 통하여, 2013년(186만대) 대비 6.6배로 커질 2030년(1,227만대)의 미래 전기자동차 세계시장에 경쟁력 있는 에너지 저장장치로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
용 어 설 명
1. 에이씨에스 나노지(ACS NANO)
- 미국화학회와 ACS 출판사가 매주 발행하는 나노분야 국제학술지
2. 메조다공성 물질(Mesoporous material)
- 2~50 nm 크기의 기공을 가지고 있는 다공성 물질
3. 하이브리드 슈퍼커패시터(Hybrid Supercapacitor)
- 음극과 양극에 각기 다른 에너지 저장 메커니즘을 사용하는 에너지 저장 장치. 예를 들어, 음극에는 리튬이온 이차전지에 사용되는 전극물질을 사용하고, 양극에는 슈퍼커패시터에 사용되는 전극물질을 사용
4. 원-팟(one-pot) 합성법
- 블록공중합체를 이용하여, 금속계 산화물/탄소 복합체를 후처리 공정 없이 쉽게 합성하는 방법
5. 에너지 및 출력 밀도(Energy and Power Density)
- 전지의 에너지원으로 에너지양을 의미, 전지의 에너지 밀도는 W h kg-1으로 표기
- 방출 가능한 최대 전기출력, 전지의 출력 밀도는 W kg-1으로 표기
6. 플래토(plateau) 현상
- 리튬이온이 삽입되는 과정에서 전위 평탄면이 존재하는 현상
7. 제한적인 전압영역
- 전압영역을 넓게 사용할수록 높은 에너지양을 갖는 에너지 저장장치 개발이 가능하다.
그 림 설 명
왼쪽 그림은 원-팟 합성법을 통하여 탄소가 코팅된 메조기공을 갖는 니오비윰계 산화물 복합체가 합성되는 과정을 보여준다. 니오비윰계 산화물의 전구체인 니오비윰 클로라이드와 니오비윰 에톡사이드를 유기용매에 안에서 반응시켜 니오비윰 옥사이드졸을 만들고 이를 블록공중합체의 친수성부분과 결합시킨 뒤, 유리접시(glass petri dish)에서 유기 용매를 서서히 증발시키고 고온(700 oC)에서 열처리를 해주면 메조다공성 니오비윰계 산화물/탄소 복합체가 합성된다.
오른쪽 그림은 연구팀에서 개발한 하이브리드 슈퍼커패시터의 모식도를 보여준다. 메조다공성 니오비윰계 산화물/탄소 복합체를 사용하는 음극(Anode)과 활성화탄소 양극(Cathode)으로 구성된다.
연구진이 개발한 메조다공성 니오비윰계 산화물/탄소복합체를 이용한 하이브리드 슈퍼커패시터의 에너지 및 출력밀도(빨간색 별표 표시, ★)를 보여주기 위한 그래프이다. 리튬이온 이차전지 등 기존 에너지저장장치와 달리 에너지와 출력 밀도를 동시에 만족하는 에너지 저장 장치임을 보여준다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가 | 메조다공성 니오비윰계 산화물/탄소 복합체를 기반으로 한 고 에너지/출력 밀도 하이브리드 슈퍼커패시터를 개발하였다. | |
어디에 쓸 수 있나 | 하이브리드 전기자동차 또는 전기자동차에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. | |
실용화까지 필요한 시간은 | 약 5년 정도의 추가연구를 통해 원천기술 확보가 가능할 것으로 생각된다. | |
실용화를 위한 과제는 | 메조다공성 니오비윰계 산화물/탄소 복합체의 합성 스케일을 향상 시키는 것이 필요할 것으로 사려 된다. | |
연구를 시작한 계기는 | 하이브리드 전기자동차 및 전기자동차에 대한 국제사회의 관심이 증대됨에 따라 새로운 에너지 저장장치에 대한 개발이 필요하다고 판단된다. | |
에피소드가 있다면 | 서울대학교 강기석 교수님 연구진 및 중앙대학교 윤성훈 교수님 연구진과의 공동연구를 통해 보다 심도 있는 연구 진행이 가능하였다. | |
꼭 이루고 싶은 목표는 | 리튬이온 이차전지 및 슈퍼커패시터와 비교할 때 하이브리드 슈퍼커패시터에 대한 연구는 많이 진행되지 못하고 있다. 따라서 추가적인 연구를 진행하여, 하이브리드 슈퍼커패시터의 선도적인 연구진이 되고자 한다. | |
신진연구자를 위한 한마디 | 우수한 재료 합성뿐만 아니라, 재료의 적합한 응용을 고려한다면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다. |
