전북대학교 이중희 교수팀(대학원 BIN융합공학과)이 미래형 전기 자동차 등에 응용될 수 있는 초고에너지 밀도를 가진 완전 고체 상태의 슈퍼캐퍼시터용 소재를 개발해 세계 학계에서 큰 주목을 받고 있다.

과학기술정보통신부의 중견연구자 기초과학연구지원사업과 나노기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이 연구는 관련 분야 세계 최고 학술지인 『어드밴스드 펀크셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)』(IF=13.33)의 최신 온라인판에 게재됐다.

슈퍼캐퍼시터는 전기자동차나 모바일 단말기 등 다양한 전기장치에 널리 사용되는 에너지 저장 장치다.

짧은 시간 내에 높은 출력을 내기 위해 주로 사용되는 점에서 리튬이온전지와 다르다.

하지만 장치 내에 저장할 수 있는 에너지 양이 한정돼 있고, 작동 전압이 낮다는 단점이 있다.

또한 기존의 슈퍼캐퍼시터는 전해질이 액상으로 돼 있어 무겁고 다양한 용도의 전자기기에 적용이 어렵다.

이 교수팀이 새롭게 개발한 소재는 이 같은 기존의 여러 단점들을 획기적으로 개선할 수 있는 원천 소재다.

계층적 다공구조를 가지는 황화(S) 니켈(Ni)-몰리브덴(Mo)과 질화(N) 니켈(Ni)-철(Fe)의 나노 판상형 소재를 합성하여 슈퍼캐퍼시터의 전극소재로 활용했다.

이 슈퍼캐퍼시터는 고밀도로 에너지를 저장하면서 고출력을 낼 수 있어 기존의 난제들을 완전히 해소할 수 있다.

더욱이 제조 방법도 비교적 간단하고, 특히 완전 고체 상태이기 때문에 운반이 쉽고, 유연해 다양한 형태로 만들 수 있어 다양한 전자 제품에 적용이 가능하다.

실제 실험에서 기존에 보고됐던 한계를 훨씬 뛰어넘는 킬로그램 당 약 82 와트(W)-시간(h)의 에너지 밀도와 약 13 킬로와트(kW) 전력 밀도를 나타내는 획기적 성능을 보였다.

또한 1만 회 이상을 사용해도 출력 성능이 96% 이상 유지돼 사용 연한까지 매우 길며, 높은 전력밀도까지도 고출력을 낼 수 있다는 장점을 갖고 있다.

때문에 리튬이온 2차 전지, 연료전지, 태양전지 등 다양한 차세대 에너지 저장 및 변환 장치의 전극소재로도 널리 활용될 수 있어 그 활용도가 매우 높을 것으로 기대되고 있다.

이중희 교수는 “이번 연구는 미래 에너지 저장 장치에 있어 반드시 해결해야 할 핵심 기술을 개발한 것으로, 휴대폰 등의 전자 장비나 차세대 전기 및 수소전지 자동차 등에 다양하게 적용할 수 있는 원천기술”이라며 “고효율 차세대 에너지 저장 장치 상용화를 위한 첫 발을 내딛었기 때문에 조속한 시일 내에 상용화가 가능할 것”이라고 설명했다.

한편, 이 교수팀의 이 같은 우수 연구 성과는 올해 들어서만 벌써 세계적 권위지인Advanced Energy Materials(IF = 21.88)와 Progress in Materials Science(IF = 31.14) 등에 논문이 실리며 세계적으로 관심이 쏠리고 있다.

/정병창기자 woojuchang@