IBS 나뭇잎 줄기 구조 착안…출력밀도 1만배 이상 개선
전자기기를 작게 만들려면 전기 저장장치의 소형화가 필수적인데 상용화된 리튬이온전지(2차 전지) 등 고체형 마이크로전지는 충전 속도가 느리고 반복 충전 시 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 마이크로 슈퍼커패시터가 이를 대체할 것으로 기대를 모았지만 기존 기술은 높은 출력에 비해 에너지 밀도가 떨어져 상용화하는데 한계가 있었다.
연구팀은 나뭇잎 줄기 구조를 착안해 출력 성능이 매우 높으면서 에너지 밀도도 기존 리튬이온전지를 능가하는 고성능 마이크로 슈퍼커패시터를 만드는데 성공했다.
연구팀은 산화흑연 층간에 고체전해질을 삽입시켜 흑연의 넓은 표면적을 최대한 활용하는 2차원 구조를 만들었다. 고체전해질과 흑연 층간에 나노선을 넣은 뒤 제거하는 방식으로 인위적인 이동경로를 만들어 에너지 밀도를 늘리고 높은 출력밀도를 유지시켰다.
개발한 슈퍼커패시터를 실험한 결과 마이크로 리튬이온전지의 에너지 밀도에 가까우면서도 출력밀도는 1만 배 이상 개선된 것을 확인했다.
이영희 나노구조물리연구단장은 “제작이 간편하고 폭발 위험성이 없는 마이크로 슈퍼커패시터를 직접 휴대용 전자기기에 사용할 수 있는 계기를 마련했다”며 “다만 전극 두께가 지금보다 굵어야 장시간 사용할 수 있는 만큼 후속 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.
이번 연구결과는 에너지과학 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 2월 20일자 온라인판에 게재됐다.
유주경 기자 willowind@ggilbo.com