수계 슈퍼커패시터 고속 충방전 위한 전해질 최적농도 찾았다

GIST-홍익대 연구진, "배터리, 수소연료전지, 센서 등 고성능 수계 전자소자 개발 기대"

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 전해질에서 염의 농도를 변화시켜 슈퍼커패시터(Supercapacitor)의 주요 성능을 향상시키는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

슈퍼커패시터는 화학반응을 이용한 리튬계 배터리와 달리 전극과 전해질 계면에서 이온들의 물리적 흡·탈착을 통해 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치다. 일반 커패시터에 비해 축전 용량이 크고 에너지 밀도가 높다. 

급속으로 충방전해도 열이 적게 발생하고 반영구적 사이클 수명을 갖는다. 급속한 전력 공급이 필요한 분야에 적합해 태양광‧풍력 등 신재생 에너지 분야에서 수요가 늘고 있다. 

(왼쪽부터) GIST 유승준 교수, GIST 윤명한 교수, 홍익대학교 이동욱 교수, GIST 박재일 박사과정생 (사진=GIST)

기존 슈퍼커패시터에 쓰이는 가연성 유기 용매 기반 전해질은 폭발 위험과 환경 문제 등의 우려가 있다. 이에 따라 안전하고 친환경적인 물 기반 수계전해질을 이용한 에너지저장장치 개발을 위한 연구가 활발하다. 하지만 물은 1.24V에서 전기 분해되어 작동전압을 넓히기 어렵고, 0℃에서 얼기 때문에 겨울철 에너지 저장 성능을 내는데 한계가 있다. 

작동전압이 넓고 이온전도도가 적절하며, 전극과 전해질 사이 고체막(SEI)이 안정적인 초고농도 수계전해질(WISE, water-in-salt electrolyte)을 사용해 기존 수계전해질의 문제를 극복하려는 연구가 진행되어 왔으나, 고농도 전해질에 대한 고려 없이 성능 개선에만 초점을 맞췄을 뿐 체계적 분석은 이뤄지지 않았다.

GIST 신소재공학부 유승준 교수와 윤명한 교수, 홍익대 신소재공학과 이동욱 교수 공동연구팀은 가격이 저렴한 포타슘 아세테이트(KOAc) 기반 초고농도 수계전해질 내 이온-이온간, 이온-물분자간 물리화학적 상호작용 및 전해질의 농도별 구조 특성을 분석했다. 

(좌) 묽은 수계 전해질(salt-in-water) 및 (우) 초고농도 수계 전해질(water-in-salt)의 수화구조 (자료=GIST)

이를 통해 다공성 전극 표면에서의 흡·탈착 거동을 밝혀냄으로써 이온전도도와 에너지 저장 특성이 최적화된 농도가 5m(몰랄 농도)임을 확인했다. 몰랄 농도는 용매 1㎏ 당 용질의 몰수를 말한다. 

또 이 결과를 토대로 초고농도 수계전해질의 상평형도를 제시하고, 영하 20℃에서도 얼지 않고 안정적으로 구동되는 수계 슈퍼커패시터를 개발했다.

초고농도 수계전해질의 농도를 최적화해 수계슈퍼커패시터를 만드는 새로운 기준을 제시하고, 향후 배터리, 수소연료전지, 센서 등 고성능 수계 전자소자 개발에 기여하리란 기대다. 유승준 교수는 "염의 농도 변화만으로 에너지저장 특성의 최적화를 이룰 수 있음을 확인했다"라며 "기존 염 혹은 향후 개발될 전해질 최적화에 가이드라인을 제공할 수 있을 것"이라고 전망했다. 

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단, 개인기초연구 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)'에 게재됐다.