주석 전극, 슈퍼커패시터 효율과 지속가능성 높여

고용량·고속 충전 슈퍼커패시터 에너지 저장 장치의 성능은 전극 구성에 의해 제한되어 왔습니다. 전극은 충전 및 방전 시 전자 흐름을 관리하는 연결부 역할을 합니다. 연구진은 재활용성과 저비용을 유지하면서 연결성을 개선할 수 있는 더 나은 소재를 개발했습니다.

마이크로 슈퍼커패시터 전극 소재의 한계 극복

연구팀은 생체 신호 모니터링용 소형 웨어러블 센서에 적용되는 마이크로 슈퍼커패시터의 연결부를 연구했습니다. 코발트 산화물은 풍부하고 저렴하며 이론적으로 높은 에너지 전하 전달 용량을 가져 전극 소재로 널리 쓰입니다. 그러나 코발트 산화물과 혼합되는 소재들이 부작용을 일으켜 실제 에너지 용량이 이론치보다 크게 낮아지는 문제가 있었습니다.

원자 라이브러리 시뮬레이션으로 최적 도핑 물질 탐색

연구진은 원자 라이브러리의 다양한 소재를 시뮬레이션해 코발트 산화물에 다른 물질을 첨가(도핑)했을 때 원하는 특성이 강화되는지 검토했습니다. 추가 전자를 공급하면서 부작용은 최소화하거나 제거하는 물질을 찾기 위해 다양한 소재 종류와 농도를 모델링했습니다. 후보 물질 다수는 고가이거나 독성이 있어, 널리 구하기 쉽고 저렴하며 환경에 무해한 주석을 최종 선택했습니다.

그래핀 필름 결합으로 저비용 전극 구현

시뮬레이션 결과, 코발트 일부를 주석으로 부분 치환하고 상용 그래핀 필름(단일 원자 두께로 전자 소재 특성을 변화시키지 않고 지지함)과 결합하면 저비용·간편 개발이 가능한 전극을 제작할 수 있음을 확인했습니다. 시뮬레이션 완료 후 실제 실험으로 검증했습니다.

실험 검증 및 향후 계획

실험 결과 주석 부분 치환 후 코발트 산화물 구조의 전도도가 크게 향상됨이 입증되었습니다. 개발된 장치는 차세대 에너지 저장 장치로서 유망한 실용화가 기대됩니다.

다음 단계로 연구진은 자체 개발한 다공성 그래핀 폼(레이저로 부분 절단·파쇄해 제작)을 이용해 유연한 커패시터를 제작, 빠르고 쉬운 전도성을 구현할 계획입니다. 슈퍼커패시터는 핵심 부품이며, 에너지 하베스터와 센서 기능을 결합하는 연구도 병행 중입니다.