에너지/환경

난주화학물리연구소, 그래핀-이온액체 기반 슈퍼콘덴서 연구 진전

발행일 : 2011 / 09 / 22

신형 에너지저장 부품으로서의 슈퍼콘덴서는 고출력 밀도, 긴 순환수명, 순간 대전류 고속 충방전, 큰 작동 온도범위, 무기억 효과, 유지보수 불필요, 안전, 무오염의 특징을 지니고 있어 전기자동차, 무정전전원공급장치(UPS), 항공우주, 군사 분야에서 광범위한 응용전망이 있다. 따라서 각국 정부와 과학자들의 주목을 모으고 있으며, 화학전원 분야 연구 핫이슈로 뜨고 있다.

중국과학원 난주화학물리연구소 고체윤활 국가중점실험실 저차원 소재 마찰학 연구팀은 그래핀-이온액체 기반 슈퍼콘덴서 연구 분야에서 새로운 진전을 보였다. 연구인력은 전기화학 테스트기술을 활용해 그래핀재료의 이온액/유기전해액에서의 전기화학적 성능을 관찰하고, 유기용제 기능그룹 상이성의 그래핀 전극소재 슈퍼콘덴서 성능에 대한 영향을 집중적으로 연구했다. 또 실험결과에 근거해 성능이 뛰어난 이온액/유기전해액을 선별해냈다. 한편 연구팀은 이미다졸류 이온액체 가운데 양이온 알킬 체인의 길이가 그래핀전극소재로 된 슈퍼콘덴서의 성능에 대한 영향도 연구하고, 이온액/전극경계면의 구조모델을 구축했다.

이밖에 연구팀은 그래핀의 이온액/유기전해액에서의 순환 안전성을 관찰했다. 전기화학적 테스트 결과, ① 그래핀은 전극소재로서 이온액체/유기전해액에서의 전위 창구가 1.9V에 달할 수 있으며, 이는 수계 전해액의 1.0V보다 훨씬 높고, 또한 높은 에너지 밀도를 지님을 규명했다. ② 양이온 알킬 체인 길이가 증가하면서 그래핀의 이온액/유기전해액에서의 전기화학적 성능이 저하했다. ③ 그래핀이 이온액체/유기전해액에서 1,500회 순환한 후 용량 유지 비율이 초기 용량의 120.8%였으며, 또한 뛰어난 순환 안전성을 구현했다.

이번 연구는 이온액/전극경계면의 구조와 특성 규명에 대해 중요한 의미를 지니며, 슈퍼콘덴서의 전위 창구, 그리고 에너지 밀도 향상을 위해 새로운 선택을 제공했다.

이 연구는 국가자연과학기금과 중국과학원 ‘백인계획’ 연구프로젝트의 지원을 받았으며, 부분적인 연구결과는 최근 출간된 J. Mater. Chem.(2011, 21, 13205–13212) 정기간행물에 발표되었다.