경상국립대(GNU) 공과대학 에너지공학과 정현영 교수팀은 100℃ 온도 범위(-40~60℃)에서 작동하는 플렉시블 슈퍼커패시터를 개발했다고 밝혔다.

현재 이차전지는 시베리아와 같은 추운 지방이나 영하의 한파 속에서는 성능이 떨어지거나 급격하게 방전되는 치명적인 한계가 있다. 이에 극저온에서도 전자장치에 전력을 공급할 수 있는 에너지저장 소자의 개발이 매우 시급하게 요구되고 있다.

왼쪽부터 경상국립대 에너지공학과 정현영 교수, 고쉬 데바시스 연구교수, 김훈성(석사과정). 경상국립대

정 교수팀은 물-에틸렌글리콜 혼합전해질을 사용해 영하 40℃에서 영상 60℃까지 에너지를 공급할 수 있는 슈퍼커패시터를 개발했다. 이는 기존 리튬-이온 배터리의 작동 온도 범위인 0~45℃와 비교해 2배 넓은 온도 범위를 커버한다.

또 연구팀의 고농도 혼합전해질 기술은 기존 수계전해질의 한계였던 ~1V의 전압범위를 2.5V까지 크게 확장시킬 수 있으며, 소자 안전성은 100℃ 온도범위와 2.5V 고전위에서 실험 및 시뮬레이션으로 검증했다.

특히 기존 슈퍼커패시터들은 공정이 복잡하고 세라믹 소재를 사용해 플렉시블하게 제조하는 것이 어려웠다.

국제학술지 '스몰(Small, impact factor 13.3)에 실린 소개글 캡처

연구팀은 폴리아마이드 고분자에 레이저 스크리빙으로 카본을 증착시킨 후 바나듐 산화물을 전기 증착시키는 방식으로 플렉시블 커패시터 전극을 제작했다. 레이저 스크리빙 방식은 공정의 속도와 효율성을 크게 향상시켜 공정의 간소화를 가능하게 했다. 또 폴리아마이드 고분자의 플렉시블한 특성은 기존 커패시터가 가진 물리적 한계점을 극복할 수 있어 고출력 웨어러블 장비에 적용할 수 있는 장점이 있다.

개발된 플렉시블 슈퍼커패시터는 고전류(10A/g)와 -40℃의 저온 환경에서도 2600사이클 이상의 높은 수명 특성을 보여 기존 배터리의 한계를 크게 뛰어넘는 결과가 나왔다. 이 연구는 극한의 온도 범위에서 전력을 필요로 하는 항공, 우주 및 위성 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구는 ‘Brain pool(해외우수과학자) 유치사업’으로 수행했으며, 연구 결과는 저명한 국제학술지 '스몰(Small, impact factor 13.3)' 최신호에 출판됐다. 해외우수과학자 사업은 해외 우수과학자를 초빙하여 우수 연구성과를 창출하도록 지원하는 정부의 연구개발(R&D) 사업이다.

더경남뉴스 정창현 기자 gaia008@naver.com 정창현 기자의 기사 더보기

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