"화재 위험 잡고 용량 3.7배 늘렸다"…'고성능 수계 배터리' 소재 개발

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 국내 연구진이 화재에 안전한 물 기반 초고속 충전 장치를 만들 때, 전기 저장 용량을 대폭 늘릴 수 있는 핵심 재료를 개발했다.

29일 성균관대에 따르면 화학공학과 김정규 교수 연구팀은 숙명여대 김민철 교수와 공동 연구를 통해, 수계 전해질 기반 슈퍼커패시터의 고질적인 낮은 작동 전압 한계를 극복하고 에너지 밀도를 향상한 전극 소재를 고안했다.

친환경적이고 폭발 위험이 없어 주목받는 '수계 슈퍼커패시터'는 급속 충방전이 가능하고 수명이 길다는 장점이 있다.

하지만 일정 전압 이상에서는 전기를 저장하는 대신 물이 수소와 산소로 분해되는 반응이 일어나, 작동 전압을 높여 에너지 저장 성능을 향상하는 데 한계가 있었다. 특히 이 과정에서 발생하는 수소 가스는 장치의 수명을 단축하고 안전성을 저해한다.

이에 연구팀은 질소가 도핑된 탄소 지지체(N-doped carbon)에 특정 전자 구조를 가진 납(Pb) 단일 원자를 정밀하게 도입한 신규 전극(SA-Pb/NC)을 개발했다.

연구팀은 다양한 구조 분석과 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 납이 질소(N)와 결합한 Pb-N 구조를 형성하며 원자 단위로 균일하게 분산돼 있음을 확인했다. 이는 전하 운반체인 K＋ 이온의 이동은 원활하게 유지하는 동시에, 물 분해 반응 중간체와의 결합을 약화해 반응을 억제하는 것으로 나타났다.

그 결과, 기존 전극 대비 약 2배 높은 전기 저장 용량을 구현했으며, 1.50V까지 확장된 작동 전압에서도 안정적으로 구동돼 기존 전극 대비 약 3.7배 향상된 에너지 저장 밀도 수치를 달성했다.

또한 납 단일원자의 도입으로 물 분해 반응이 효과적으로 억제되며 48시간 연속 작동 후에도 수소 가스가 전혀 검출되지 않았다. 아울러 1만 회 이상의 충방전 시험 후에도 초기 성능의 98.3%를 유지해 뛰어난 안정성과 내구성을 확보했다.

김정규 성균관대 화학공학과 교수는 "이번 연구는 높은 작동 전압과 높은 에너지 밀도를 동시에 구현하면서도 기체 발생 반응을 효과적으로 억제할 수 있음을 입증한 성과"라며 "안전성과 성능을 모두 갖춘 차세대 수계 에너지 저장 장치의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

한편 이번 연구 논문에는 성균관대 화학공학과 장동·김종훈 박사과정생이 공동 제1저자로 이름을 올렸으며, 에너지 소자 분야의 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난 3월 온라인 게재됐다.

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