고려대학교 화공생명공학과 및 KU-KIST 융합대학원의 조진한 교수와 대구경북과학기술원의 고용민 박사 연구팀이 새로운 형태의 슈퍼커패시터 전극을 개발했다. 이들은 친수성 작용기로 표면이 개질된 탄소 나노 올리고머를 사용하여 바인더가 필요 없는 직물형 전극을 성공적으로 제작했다고 발표했다. 이 연구 결과는 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 있는 학술지 'Energy Storage Materials'에 게재됐다.

슈퍼커패시터는 전극 표면에서 빠르게 일어나는 반응을 통해 전하를 저장하는 장치로, 전극 물질의 표면적을 높이고 전하 전달 효율을 향상시킬 수 있어야 한다. 기존의 슬러리 코팅법은 나노입자 기반 전극에 다양한 한계를 드러냈다. 이 방법은 높은 비표면적을 지닌 나노입자를 사용할 때 필요한 보조 물질의 비율이 증가하고, 나노입자 표면의 리간드가 전극 내 저항을 유발하는 등의 문제를 일으켰다.

조진한 교수팀은 탄소 나노 올리고머를 활용하여 이러한 문제를 해결했다. 이들은 탄소 나노 올리고머에 작용기를 부여하고, 이를 활물질 나노입자와의 계면 결합을 통해 전극을 제작함으로써, 바인더 없이도 전하 전달 경로를 균일하게 확보할 수 있었다. 또한, 나노입자 표면의 리간드를 제거하고 탄소 나노 올리고머가 결합하는 리간드 치환 반응을 통해 절연성 유기물을 전극에서 완전히 제거하는 기술을 개발했다.

[그림 설명] 어셈블리 과정 및 직물형 전극 제작 방법 모식도

활물질인 망간 산화물 나노입자와 탄소 나노 올리고머 간 계면 결합 기반의 어셈블리를 활용하여 전극을 제작한다.

이를 직물형 집전체에 응용하여 빠른 전하 전달이 구현된 직물형 슈퍼커패시터 전극을 제작한다.

이와 같은 기술은 3D 직물형 전도체에 적용되어, 높은 로딩 양에서도 원활한 전하 전달과 우수한 면적당 용량(1,725 mF cm²)을 달성했다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었으며, 이 기술은 에너지 저장 솔루션의 새로운 지평을 열 것으로 기대된다. 이번 연구의 혁신적인 접근 방식은 슈퍼커패시터의 상업적 응용뿐만 아니라, 에너지 저장 장치의 성능과 안정성을 획기적으로 개선할 가능성을 제시하고 있다.