“1만번 충·방전 후 성능 95%이상 유지”…GIST, 차세대 고성능 레독스 슈퍼커패시터 기술 개발

작성일 05-13

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        <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> 
         <section dmcf-sid="xSo3BhKGss">
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="f6bc9f5cfe7c537bd9afbee6f4d162abb1da60579c7f61983d2d3d2e43edbd13" dmcf-pid="yqTMo7aVrm" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="a) 바이올로젠의 치환기 변화에 따른 셀 성능 변화 모식도 b) 1-3 ㎚ 크기의 기공 내에서 부틸 비올로겐(BV)의 흡착 및 확산 경향 c) 0.8 ㎚ 이하의 미세기공에서 BV와 기공 간 매칭을 통한 자가방전 억제 메커니즘. 레독스 분자의 크기에 따라 셀 성능이 달라짐을 나타냄. 사용된 전극에서 BV가 가장 높은 구조적 호환성을 보여 최적의 용량, 속도, 자가방전 억제 및 장기 안정성을 나타냄." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202505/13/etimesi/20250513082106357nlyt.jpg" data-org-width="500" dmcf-mid="P1ZLk2DxDI" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202505/13/etimesi/20250513082106357nlyt.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            a) 바이올로젠의 치환기 변화에 따른 셀 성능 변화 모식도 b) 1-3 ㎚ 크기의 기공 내에서 부틸 비올로겐(BV)의 흡착 및 확산 경향 c) 0.8 ㎚ 이하의 미세기공에서 BV와 기공 간 매칭을 통한 자가방전 억제 메커니즘. 레독스 분자의 크기에 따라 셀 성능이 달라짐을 나타냄. 사용된 전극에서 BV가 가장 높은 구조적 호환성을 보여 최적의 용량, 속도, 자가방전 억제 및 장기 안정성을 나타냄.
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          <p contents-hash="7aceee034c41877cdeb20374d04f090e36c53123bc6881f0d276c44e07f661d0" dmcf-pid="WByRgzNfwr" dmcf-ptype="general">광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 유승준 신소재공학과 교수팀이 분자의 크기를 정밀하게 조절해 레독스 슈퍼커패시터(Redox EC) 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.</p>
          <p contents-hash="cda7b1085bbba98e3aeb60046b2e49f6df8861d397816f1c5025ee6a1ef8fdcf" dmcf-pid="YbWeaqj4rw" dmcf-ptype="general">기존 슈퍼커패시터는 빠른 충전 속도와 긴 수명이라는 장점이 있지만 에너지 밀도가 낮아 저장 용량에 한계가 있었다. 이러한 단점을 보완한 레독스 슈퍼커패시터는 전해질에 녹아 있는 레독스 활성물질이 전자를 주고받으며 추가적인 에너지를 저장할 수 있도록 설계된 차세대 기술이다.</p>
          <p contents-hash="416321a1fdd9cd184c48e58f061359992e907d0fedcd0d6fd8c235ace6009fc9" dmcf-pid="GKYdNBA8ED" dmcf-ptype="general">하지만 활성물질이 전해질 내에서 자유롭게 확산되면서 자가방전이 발생하고 고가의 이온교환막에 의존해야 하는 문제로 인해 상용화에 어려움이 있었다.</p>
          <p contents-hash="d1f6762ab300c424067ae9c60dc1006b4e22c05b42c9ea913f1fe9e6b1b11e43" dmcf-pid="H9GJjbc6rE" dmcf-ptype="general">연구팀은 유기 레독스 분자의 크기를 옹스트롬(Å) 단위까지 정밀하게 설계해 다공성 탄소 전극과 효과적으로 반응하도록 최적화했다. 에너지 밀도가 높고 자가방전이 적으며 긴 수명까지 갖춘 고성능 수게 레독스 슈퍼커패시터를 개발하는 데 성공했다.</p>
          <p contents-hash="a606113ef081b032d354b77794be41ab72f8456abb817936ad3a3358de3fd533" dmcf-pid="X2HiAKkPrk" dmcf-ptype="general">활성물질 분자의 크기를 다공성 탄소 전극의 미세한 기공 구조에 맞춰 정밀하게 설계함으로써 별도의 이온교환막 없이도 고성능을 구현할 수 있는 새로운 해법을 제시했다. 핵심은 전극과 전해질이 맞닿는 계면에서 일어나는 반응에 있다. 기존에는 전극의 기공 크기를 바꾸는 방식으로 계면 반응을 조절했지만 새로운 방법은 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 한계가 있었다.<br></p>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="c98aa850f29f2ada20b006df8b56ecabc96566a1f916443f95fe8b0823009084" dmcf-pid="ZVXnc9EQmc" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="유승준 GIST 신소재공학과 교수(오른쪽)와 조영훈 박사과정생." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202505/13/etimesi/20250513082107832tzgf.jpg" data-org-width="700" dmcf-mid="QzflHaZwOO" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202505/13/etimesi/20250513082107832tzgf.jpg" width="658"></p>
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            유승준 GIST 신소재공학과 교수(오른쪽)와 조영훈 박사과정생.
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          <p contents-hash="189a7d4fc80a13c7015034377bfe466b997d68d73d7217441ff24430593159a6" dmcf-pid="5fZLk2DxEA" dmcf-ptype="general">이에 연구팀은 전극 구조를 바꾸기보다 전해질 내 분자 크기를 조절해 계면 상호작용을 정밀하게 설계하는 방식으로 전환함으로써 제조의 효율성과 성능을 동시에 확보하는 데 성공했다. 전기화학적 특성이 우수한 바이올로젠(독특한 전기화학적 특성을 가진 유기 화합물) 유도체를 다양한 형태로 합성한 뒤, 이를 전극 구조에 정확히 맞도록 조정했다.</p>
          <p contents-hash="66e36fefebf4e77e22e10aed08bb2c1a14f5d3e88a5c40df829d6f3c9f9e0843" dmcf-pid="145oEVwMDj" dmcf-ptype="general">연구팀은 실험 결과 1.4V 기준 82.3킬로그램당 와트시 에너지 밀도(Wh/㎏)의 높은 에너지 밀도를 달성했으며, 1만번의 충·방전 후에도 초기 성능의 95% 이상을 유지하는 뛰어난 내구성을 확인했다. 충전 후 6시간이 지난 시점에서도 에너지의 88.4%가 남아 있어 자가방전이 거의 없는 것으로 나타났다.</p>
          <p contents-hash="d17dd0bae6a1b93b114fc8b8233d7dd8df79af13814ffe6c49fd4637a83ed891" dmcf-pid="t81gDfrRIN" dmcf-ptype="general">전해질이 전극 내부 깊숙한 부분까지 효과적으로 침투할 수 있도록 '진공/질소 압력 순환 침지법'이라는 새로운 주입 기술도 개발해 활성물질의 흡착량을 2배 이상 늘렸고, 전극 계면에서의 반응 효율도 극대화했다.</p>
          <p contents-hash="789c2cf43dba1a96b6eeffbf9c5eb87a122a6863c264d0c8a7d35665481ba698" dmcf-pid="F6taw4mera" dmcf-ptype="general">유승준 교수는 “분자 크기를 Å 단위로 정밀하게 조절해 전극의 미세기공 구조와 완벽하게 맞물리는 최적의 전해질-전극 조합을 구현했다”며 “이번 연구는 레독스 슈퍼커패시터의 성능을 좌우하는 핵심 원리를 새롭게 규명한 성과로 고성능 에너지 저장 장치를 설계하는 데 새로운 방향을 제시한 것”이라고 말했다.</p>
          <p contents-hash="442c48453aac20e3849fdc62f0b5f894f8e2e1b71a6d5b87b511f8166a9b5101" dmcf-pid="3FsVM1e7rg" dmcf-ptype="general">김영준 기자 kyj85@etnews.com</p>
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