고려대(총장 정진택) KU-KIST융합대학원 윤영수 교수팀은 마그네슘 이온 기반 전하수송체와 나노 기공 구조를 갖는 활성탄소 전극을 사용하여 리튬이온전지와 경쟁 가능한 차세대 에너지저장기기, ‘마그네슘 이온 슈퍼커패시터’를 개발했다.

이번 연구는 에너지신소재 분야 최상위 저널인 『Advanced Energy Materials』에 온라인 게재(6/23)됐으며 해당 저널의 후면 커버로 선정됐다.

연구진은 고려대 KU-KIST융합대학원 융합에너지공학과 윤영수 교수팀과 인하대 고분자공학과 진형준 교수팀 및 강원대 화학공학과 임형규 교수팀의 공동연구를 통해 진행됐으며 이상문 기초과학지원연구소 박사가 연구에 참여했다.

슈퍼커패시터는 리튬이온이차전지와 더불어 가장 널리 사용되고 있는 에너지저장기기이다.

슈퍼커패시터의 에너지 저장 메커니즘은 활물질(에너지저장물질) 내에서 리튬이온의 화학반응을 통해 에너지를 저장하는 리튬이온이차전지와 달리 전극 표면에서 전하수송체의 물리적 흡탈착 거동을 통해 에너지를 저장하는 메커니즘을 가진다.

이처럼 표면에서 저장되는 방식으로 인해 리튬이온이차전지보다 매우 빠르게 에너지를 저장할 수 있으며 보다 긴 수명을 나타내는 장점을 가지는 반면 저장할 수 있는 에너지밀도가 낮은 단점을 가진다. 

연구진은 에너지밀도가 용량과 전압의 곱으로 계산되는 점에 착안하여, 용량을 증가시키는 방향 대신 전압을 비약적으로 향상시켜 에너지밀도를 증가시키는 연구목표를 설정했다.

마그네슘 이온의 이온반경이 리튬이온보다 작지만 전하는 두 배나 크기 때문에 글라임 용매와 매우 강하게 결합하는 현상을 주목했다.

마그네슘-글라임 전하수송체의 높은 결합력을 이용함으로써 고전압에서도 안정하게 전하를 수송할 수 있는 특성을 활용하여 고전압 마그네슘 이온 슈퍼커패시터를 개발할 수 있었다.

또한 비표면적이 넓은 탄소계 전극의 기공특성이 전하수송체의 안정성에 크게 기여할 수 있음을 최초로 규명했으며, 이를 활용하여 고전압에서도 높은 용량을 구현할 수 있는 슈퍼커패시터를 개발했다.

개발된 마그네슘 이온 슈퍼커패시터는 >100Wh/kg의 높은 에너지밀도와 더불어 > 10,000 W/kg의 매우 높은 출력밀도를 가지며 이는 기존의 슈퍼커패시터의 에너지 및 출력밀도보다 약 2배 가량 높은 수치이다.

다가이온을 활용한 연구가 아직 기초단계에 머물러 있는 점을 고려하면 높은 응용가능성을 보여주고 있는 이번 연구내용을 통해 다가이온 기반 슈퍼커패시터 분야에서 커다란 파급효과를 가져올 것으로 기대된다.

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