아주대 ‘슈퍼커패시터’ 성능·수명 개선 기술 개발

[이데일리 신하영 기자] 국내 연구진이 슈퍼커패시터의 성능과 수명을 획기적으로 개선하는 천연고무 기반 전해질 첨가제를 개발했다.

사진=아주대 제공

아주대는 윤태광(사진) 응용화학과 교수팀이 바이오 고분자를 활용한 새로운 전해질 첨가제를 개발, 퍼커패시터의 성능과 수명을 대폭 향상시키는데 성공했다고 22일 밝혔다. 이번 연구에는 이성훈 석박사 통합과정 학생과 박지영 석사과정생, 윤형섭 중앙대 석박사 통합과정 학생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 저명학술지(Energy Storage Materials) 4월호 온라인판에 게재됐다.

슈퍼커패시터(supercapacitor)는 무궁한 발전 가능성을 가진 차세대 에너지 저장 기술이다. 특히 리튬을 사용하지 않아 환경친화적인데다 대규모의 전기 에너지를 저장할 수 있다는 점에서 산업계와 학계의 주목을 받고 있다. 고속 충·방전이 가능하고 반영구적 수명을 가져 기존 배터리의 한계를 보완할 수 있는 대안으로 각광받고 있는 것. 현재 전기차와 신재생 에너지 발전 등 여러 분야에서 보조전력으로 활용되고 있으며, 앞으로 더 다양한 분야에서 폭넓게 쓰일 것으로 기대된다.

슈퍼커패시터는 기존의 배터리와 에너지 저장 메커니즘이 다르다. 배터리는 화학 반응을 통해 에너지를 저장해 이온의 확산이 중요한 역할을 하지만, 슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면에서의 ‘표면 제어 반응‘을 통해 에너지를 저정한다.

이러한 이유로 슈퍼커패시터의 성능 향상을 위해서는 전극-전해질 계면의 안정성 확보가 필수적이며 이를 위한 다양한 연구가 진행돼 왔지만 공정 복잡성, 높은 비용, 대량 생산의 어려움 등으로 인해 한계가 있었다.

아주대 연구팀은 기존 슈퍼커패시터 시스템의 전극-전해질 계면의 불안정성 문제를 해결하기 위해 친환경적인 천연고무 추출 물질과 미역 추출물을 활용한 첨가제(KS)를 개발했다. 이는 수계 전해질 내에서 뛰어난 용해도를 자랑하며 이온 전도도와 이동도를 개선, 기존 전해질 대비 성능을 비약적으로 향상시킨다.

특히 황산(H₂SO₄) 기반 전해질에 해당 첨가제를 소량만 추가해도 계면 특성이 크게 향상됐으며 3만 회의 충·방전 후 용량 유지율이 기존 58%에서 93%로 향상되는 성과를 보였다. 이는 전극 표면에 형성된 보호층이 부산물 생성을 억제하고, 이온과 전자의 원활한 이동을 돕기에 가능한 결과다.

연구팀은 이번 연구가 차세대 친환경 에너지 저장 장치의 핵심 기술로 자리 잡을 것으로 기대하고 있다. 윤태광 교수는 “이번 연구를 통해 슈퍼커패시터의 전극-전해질 계면 안정성을 획기적으로 개선함으로써 친환경적이고 산업적으로도 적용 가능한 에너지 저장 기술을 개발했다”라며 “향후 다양한 분야에서의 응용을 통해 후속 연구를 계속 진행할 계획”이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단·글래스고대(University of Glasgow) 스타트업 펀드 등의 지원을 받아 수행했다.