| 탄소나노튜브박막으로 간단한 구조의 슈퍼커패시터 제작 | ||
|
||
 최근 중국과학원 물리연구소/북경응집체물리 국가실험실(준비중) 선진재료구조분석실험실의 ‘나노재료와 메조물리학’과제팀은 구조가 간단하고 가벼우며 높은 에너지밀도와 파워밀도의 탄소나노튜브박막으로 만든 슈퍼커패시터 및 제조방법을 고안해냈다. 관련 연구결과는 Energy & Environmental Science（2011, 4, 1440）에 발표되었다. 장수명의 높은 비에너지와 파워밀도의 에너지저축부품을 개발하는 것은 다양한 분야의 연구자들이 관심을 기울여온 과제가 되었다. 과학기술의 발전에 따라 전기자동차 등 다양한 분야의 전원출력에 대한 요구가 크게 높아지면서 전지의 수용능력을 훨씬 초월하였다. 전통적인 커패시터는 출력파워가 크지만 에너지밀도가 한정되어 있어서 실제수요를 충족시키지 못하고 있다. 전기화학커패시터라고도 불리는 슈퍼커패시터는 그 성능이 전통커패시터와 전지사이에 있으며 전지의 높은 비에너지와 전통커패시터의 높은 비출력의 특징을 두루 갖추었다. 슈퍼커패시터는 혼합동력자동차, 대출력 레이더, 휴대폰 정보보존용 백업 전원, 노트북과 무전지 리모컨 등에 응용되고 있다. 휴대식 전자부품이 발전하면서 전통 슈퍼커패시터의 조립방식으로는 현재 전자부품의 발전을 충족시키기에는 역부족하며 슈퍼커패시터는 가볍고 스마트한 방식으로 발전하는 추세이다. 높은 비표면적과 전기전도율을 지닌 탄소나노튜브는 이상적인 슈퍼커패시터 전극재료이다. 현재 주로 탄소나노튜브와 전기전도형 폴리머와 혼합한 다음, 혼합물을 도전 기판에 코팅하거나 기판에 순수 탄소나노튜브를 직접 침전시키는 방법으로 전극재료를 만든다. 하지만 폴리머를 첨가하면 탄소나노박막전극의 전기전도율과 공극율을 줄이며 전하의 전극중의 전이와 전해액중 이온의 전극 공극중의 확산에도 불리한 영향을 미치면서 슈퍼커패시터의 출력밀도를 떨어뜨린다. 반면에 순수 탄소나노튜브박막은 높은 전기전도성과 다공극 구조를 하고 있어 도전기능의 폴리머가 전극에 미치는 영향을 효과적으로 극복할 수 있고 직접 슈퍼캐퍼시터의 전극재료로 삼을 수 있다. 하지만 2가지 탄소나노튜브의 전극을 금속기판이나 기타 기판에 코팅할 수밖에 없다. 기판을 사용하면 슈퍼 커패시터의 중량이 늘어나며 금속기판이나 기타 기판의 유연성도 떨어진다. 따라서 탄소나노튜브 베이스의 슈퍼커패시터는 전통 퍼튼타입의 구조, 즉 샌드위치 구조를 유지하고 있다. 어떻게 하면 탄소나노튜브로 고성능의 간단한 구조의 슈퍼커패시터를 제조하는가 하는 문제는 미래 탄소나노튜브를 이용한 슈퍼커패시터의 발전방향이 되었다. 다년간 탄소나노튜브박막의 제작, 물성 및 응용기초 연구에 주력해온 물리연구소의 나노재료/메조물리학 과제팀은 그동안 많은 성과를 올렸다（Nano. Lett. 2007, 7, 2307; Adv. Mater. 2009, 21, 603; Nano. Lett. 2009, 9, 2855）. 최근 이 과제팀의 뉴즈치앙(牛志强)박사, 저우웨이야(周维亚)연구원, 시에스선(解思深)원사 등과 호주 울런공 대학교(University of Wollongong) 지능복합체연구소의 천쥔(陈俊)박사, 물리연구소 청정에너지실험실 E01팀의 리훙(李泓)연구원, 펑궈싱(冯国星)박사가 협력 연구를 통해 직접 생장시킨 샐프지탱형 유연성 탄소나노튜브박막의 高전기전도율, 높은 역학성능, 高자기흡착력 등의 특징을 이용해 구조가 간단하고 가벼우며 에너지밀도와 출력밀도가 높은 탄소나노튜브박막의 슈퍼커패시터 및 제조방법을 제출하였다. 연구팀은 유기 용액을 평평하게 코팅하는 방법으로 직접 생장시킨 탄소나노튜브박막의 자기흡착성을 이용해 임의 수량의 탄소나노튜브 박막을 매우 평평하고 탄탄하게 슈퍼커패시터의 격막에 조립시킴으로써 탄소나노튜브 박막간의 연결저항을 효과적으로 줄였고 탄소나노튜브박막 전극의 출력밀도를 높이는데 유리하다. 게다가 이 방법은 직접 생장시킨 탄소나노튜브 박막의 면적과 두께가 박막전극을 제조하는데 있어서의 한계를 벗어났고 대전기용량의 탄소나노튜브 슈퍼커패시터의 전극재료 면적과 두께의 수요를 해결할 수 있게 되었다. 연구팀이 위의 방법으로 얻은 규칙이 있는 치수와 표면형태의 탄소나노튜브 박막은 직접 전극재료와 집전장치로 삼을 수 있으며, 코일링형태의 간단한 구조의 고성능 슈퍼커패시터를 조립할 수 있다. 이러한 설계와 조립기술은 탄소나노튜브박막과 금속 집전장치간의 접촉저항을 효과적으로 제거하였고 슈퍼커패시터의 구조를 간소화하였으며 슈퍼커패시터의 무게를 경감시켰다. 이 기술은 탄소나노튜브박막으로 만든 슈퍼커패시터의 실제 응용에 중요한 의의를 지닌다. 실험결과, 간단한 구조의 슈퍼커패시터는 이상적인 더블전기층 전기용량행위를 구현하였고 전위가 바뀌어질 때 전류 반응이 양호하며 탄소나노튜브박막 슈퍼커패시터의 충방전 효율은 99%에 달하며 계산하여 얻은 정전용량은 35 F/g, 에너지밀도는 43.7 Wh/kg, 최대출력밀도는 197.3 kW/kg이다. 이는 활성탄소재료로 제조한 전통 슈퍼커패시터의 에너지밀도（1-10 Wh/kg）와 출력밀도（2-10 kW/kg）보다 훨씬 높다. 그밖에 간단한 구조의 슈퍼커패시터는 우수한 주파수특성을 나타내었다. |
SEARCH
- 정책동향
- 이슈리포트
- 통계DB
- 통계DB