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이은지 학생(지도교수: 윤영수), 마그네슘 이온 기반 고성능 레독스 활성 슈퍼커패시터 개발
2023.09.13 Views 611
마그네슘 이온 기반 고성능 레독스 활성 슈퍼커패시터 개발
KU-KIST융합대학원 이은지 석‧박사통합과정, 윤영수 교수
전기화학적으로 빠르고 간단하게 탄소 전극 표면에 레독스 활성 기능을 유도할 수 있는 역충전 반응 기술을 개발하였으며 이를 기반으로 기존 전극 대비 5배 이상 높은 용량을 나타내는 마그네슘 이온 기반 고성능 레독스 활성 슈퍼커패시터를 개발함
슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면에서 이온들의 물리적 흡탈착을 통해 에너지를 저장하는 에너지저장장치로써, 충전 및 방전 속도가 매우 빠르고 수명특성이 매우 우수한 장점을 가진다. 그러나 리튬 이온 배터리와 비교하여 현저하게 낮은 에너지 밀도 때문에 휴대용 전자기기 및 전기자동차 등 빠르게 성장하고 있는 산업에 적용하는데 한계가 있다. 따라서 이를 극복하기 위한 해결책으로 전극 활성 표면에서 산화환원 반응을 통해 전하를 저장할 수 있는 레독스 활성 슈퍼커패시터 개발이 진행되고 있으며, 매우 향상된 정전용량을 구현할 수 있음이 확인되었다. 한편, 마그네슘은 매장량이 풍부한 자원으로, 작은 이온 반경과 낮은 산화환원 전위 및 다가이온의 이점이 있어 리튬 기반 이차전지를 대체할 수 있는 차세대 에너지저장장치용 자원으로 여겨지고 있다.
본 연구진은 간단한 역충전 기술을 통해 이차전지 셀을 구성하는 나노구조화 된 전극 활물질 표면에 레독스 활성 기능을 유도할 수 있음을 최초로 규명하였으며, 이를 통해 고성능 레독스 활성 마그네슘 슈퍼커패시터를 개발하였다. 역충전 기술은 역방향으로 전압을 인가하는 순환전압전류법을 통해 제어되었으며, 전기화학적으로 레독스 활성이 제어된 탄소전극을 제조할 수 있었다. 또한, 제1원리 계산을 통해 역충전법으로 생성된 카보닐 작용기와 마그네슘 이온 사이의 레독스 메커니즘을 규명하였다. 본 연구를 통해 제조된 레독스 활성 전극소재를 음극으로 사용하여 4 V 의 넓은 전압창에서 초기 용량 대비 5배 이상의 용량을 성취하였으며, 5000회 이상의 안정적인 충/방전을 구현하였다. 이는 기존에 보고된 알칼리 이온 슈퍼커패시터보다 에너지 밀도를 약 2.6배까지 높일 수 있어서 차세대 에너지 저장장치로써 높은 잠재성을 가지고 있음을 나타낸다.
본 연구내용은 KU-KIST융합대학원의 이은지 석‧박사통합과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며 강원대학교 임형규 교수 연구팀, 인하대학교 진형준 교수 연구팀의 도움을 받아 진행되었다.
본 연구는 “4 V-class magnesium-ion pseudocapacitors fabricated using an in situ inverse-charging process”라는 제목으로 지난 7월 29일에 Chemical Engineering Journal에 온라인 게재 되었으며, 다가오는 10월 1일에 확정 출판 될 예정이다.
슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면에서 이온들의 물리적 흡탈착을 통해 에너지를 저장하는 에너지저장장치로써, 충전 및 방전 속도가 매우 빠르고 수명특성이 매우 우수한 장점을 가진다. 그러나 리튬 이온 배터리와 비교하여 현저하게 낮은 에너지 밀도 때문에 휴대용 전자기기 및 전기자동차 등 빠르게 성장하고 있는 산업에 적용하는데 한계가 있다. 따라서 이를 극복하기 위한 해결책으로 전극 활성 표면에서 산화환원 반응을 통해 전하를 저장할 수 있는 레독스 활성 슈퍼커패시터 개발이 진행되고 있으며, 매우 향상된 정전용량을 구현할 수 있음이 확인되었다. 한편, 마그네슘은 매장량이 풍부한 자원으로, 작은 이온 반경과 낮은 산화환원 전위 및 다가이온의 이점이 있어 리튬 기반 이차전지를 대체할 수 있는 차세대 에너지저장장치용 자원으로 여겨지고 있다.
본 연구진은 간단한 역충전 기술을 통해 이차전지 셀을 구성하는 나노구조화 된 전극 활물질 표면에 레독스 활성 기능을 유도할 수 있음을 최초로 규명하였으며, 이를 통해 고성능 레독스 활성 마그네슘 슈퍼커패시터를 개발하였다. 역충전 기술은 역방향으로 전압을 인가하는 순환전압전류법을 통해 제어되었으며, 전기화학적으로 레독스 활성이 제어된 탄소전극을 제조할 수 있었다. 또한, 제1원리 계산을 통해 역충전법으로 생성된 카보닐 작용기와 마그네슘 이온 사이의 레독스 메커니즘을 규명하였다. 본 연구를 통해 제조된 레독스 활성 전극소재를 음극으로 사용하여 4 V 의 넓은 전압창에서 초기 용량 대비 5배 이상의 용량을 성취하였으며, 5000회 이상의 안정적인 충/방전을 구현하였다. 이는 기존에 보고된 알칼리 이온 슈퍼커패시터보다 에너지 밀도를 약 2.6배까지 높일 수 있어서 차세대 에너지 저장장치로써 높은 잠재성을 가지고 있음을 나타낸다.
본 연구내용은 KU-KIST융합대학원의 이은지 석‧박사통합과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며 강원대학교 임형규 교수 연구팀, 인하대학교 진형준 교수 연구팀의 도움을 받아 진행되었다.
본 연구는 “4 V-class magnesium-ion pseudocapacitors fabricated using an in situ inverse-charging process”라는 제목으로 지난 7월 29일에 Chemical Engineering Journal에 온라인 게재 되었으며, 다가오는 10월 1일에 확정 출판 될 예정이다.
그림 1. 전기화학적 역충전법을 통한 정전용량의 향상 및 제1원리 계산을 통해 규명한 마그네슘 이온의 레독스 활성 메커니즘을 나타낸 그림.
