□   GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 차세대에너지연구소 장재형 소장(전기전자컴퓨터공학부 교수) 연구팀이 “기존의 그래핀 전극보다 에너지 저장밀도*가 2~3배 높고, 리튬이온전지 대비 전력밀도*가 15배 우수한 고성능 하이브리드 슈퍼커패시터* 기술 개발에 성공했다.

* 에너지 저장밀도: 에너지 저장 시스템의 단위 부피 당 저장된 에너지의 양

* 전력밀도: 단위 시간당 전기에너지를 전지단위중량 또는 단위체적으로 나눈 값

* 하이브리드 슈퍼커패시터: 커패시터 전극과 배터리 전극으로 구성된 슈퍼커패시터

□   연구팀이 개발한 그래핀 두루마리*를 이용한 하이브리드 슈퍼커패시터 전극*은 49.66 와트아워퍼리터(Wh/L)의 체적 에너지 밀도를 가지고 있다. 이는 기존 그래핀을 이용한 전극에 비해 체적 에너지 밀도가 2~3배 이상 높다. 이 전극의 전력밀도는 7,614 W/L로 리튬이온전지가 가진 500 W/L에 비해 15배가 높으며, 1만 번 이상 충․방전이 가능해 안정성이 높다.

* 그래핀 두루마리 : 단일 원자 두께의 그래핀을 돌돌 말아 제조한 두루마리 형태의 그래핀

* 전극: 전해질과 계면 접촉을 하고 전극반응이 일어나는 전도성 매개체

□  초고속 충․방전 기능을 잃지 않으면서 우수한 에너지 밀도와 전력밀도를 나타낸 것은 환원된 산화그래핀*을 돌돌 말아서 형성한 나노스케일* 두루마리구조(나노스크롤)에 있다고 연구팀은 설명했다. 단층 판 모양의 환원된 산화그래핀을 단순히 쌓게 되면 이온이 환원된 산화그래핀 내부 영역까지 접근하지 못하기 때문에 이온이 흡착하는 면적이 줄어 전지의 성능이 떨어진다. 이에 비해 환원된 산화그래핀을 두루마리 모양으로 돌돌 말게 되면 나노스크롤의 끝부분과 모서리는 열린 상태가 되어 이용할 수 있는 표면적이 최대화되고 이에 따라 이온과 반응하는 면적이 늘어난다. 또한 기공(구멍)이 균일하게 배열되어 이온이 내부까지 원활하게 이동하고 직경 3 나노미터(nm)의 기공 크기는 이온의 이동 및 확산에 적합하여 최적의 전기화학적 성능을 나타낸 것이다.

* 환원된 산화그래핀 : 산화된 형태의 그래핀을 환원제롤 통해서 화학적으로 환원하여 얻은 탄소재료

* 나노스케일 : 나노 기술에 적용 가능한 1-100 nm의 길이 척도를 갖는 구조물

□   장재형 교수 “이 연구는 별도의 첨가제나 복잡한 공정이 없어도 충전밀도가 높고, 에너지 밀도가 높은 하이브리드 슈퍼커패시터를 개발한 것이다. 전기자동차, 휴대전자 기기 등에 필요한 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

 

□   이 연구는 미래창조과학부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 산업통상자원부 산업기술혁신사업 등의 지원으로 수행되었다. 미국화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces) 6월 14일자에 게재되었다.

 

□  논문명과 저자정보는 다음과 같다.

      - 논문명 : High volumetric energy density hybrid supercapacitors based on reduced        graphene oxide scrolls

       - 저자 정보 :   장재형 교수 (교신저자, 광주과학기술원), 자날드하난 라니 (제1 저자, 광주과학기술원), 란지츠 탕가벨（공동저자, 전남대학교), 오세이 (공동저자, 광주과학기술원), 우정민（공동저자, 광주과학기술원), 나얀 칸드라 다스 (공동저자, 광주과학기술원), 김소연（공동저자, 광주과학기술원), 이윤성 (공동저자, 광주과학기술원)