한국연구재단(이사장 조무제)은 장재형 GIST 차세대에너지연구소장 연구팀이 기존 그래핀 전극보다 에너지 저장밀도가 2~3배 높고, 리튬이온전지 대비 전력밀도가 15배 우수한 '고성능 하이브리드 슈퍼커패시터 기술'을 개발했다고 26일 밝혔다. 

연구팀이 개발한 하이브리드 슈퍼커패시터 전극은 49.66와트아워퍼리터(Wh/L)의 체적 에너지 밀도를 갖는다. 이는 기존 그래핀을 이용한 전극에 비해 체적 에너지 밀도가 2~3배 이상 높은 것이다. 

이 전극의 전력 밀도는 7614W/L로 리튬이온전지가 가진 500W/L에 비해 15배가 높으며 1만번 이상 충·방전이 가능하다.

초고속 충·방전 기능을 잃지 않으면서 우수한 에너지 밀도와 전력밀도를 나타낸 것은 환원된 산화그래핀을 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 상태로 이용할 수 있어 표면적이 최대화 돼 이온과 반응하는 면적이 늘어난다. 

또 기공(구멍)이 균일하게 배열돼 이온이 내부까지 원활하게 이동하고 직경 3나노미터(nm)의 기공 크기는 이온의 이동 및 확산에 적합해 최적의 전기화학적 성능을 나타낸다.  

장재형 교수 "별도의 첨가제나 복잡한 공정이 없어도 충전밀도가 높고, 에너지 밀도가 높은 하이브리드 슈퍼커패시터를 개발했다"며 "전기자동차, 휴대전자 기기 등에 필요한 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.  

연구 성과는 미국화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 '에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)' 6월 14일자에 실렸다.