일 자 | 2024. 4. 26. |
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제 목 | 탄소 나노 올리고머 기반 계면 결합을 통한 바인더 프리 직물형 슈퍼커패시터 전극 개발 조진한 교수 연구팀 논문 ‘Energy Storage Materials’ 게재 |
내 용 (요 약) | □ 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과/KU-KIST 융합대학원 조진한 교수와 대구경북과학기술원 고용민 박사 연구팀은 친수성 작용기로 표면 개질된 탄소 나노 올리고머를 사용한 계면 결합 기술을 활용하여 나노입자 기반의 바인더-프리(binder-free) 직물형 슈퍼커패시터 전극을 개발했다.
□ 이번 연구 결과는 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 학술지인 ‘Energy Storage Materials (IF = 20.4)’에 4월 12일 온라인 게재됐다. □ 슈퍼커패시터는 전극의 표면에서 빠르게 일어나는 반응을 기반으로 전하를 저장한다. 따라서 전극 물질을 비표면적이 높은 나노입자의 형태로 만들게 되면 활성 면적이 증가하고 전하 전달 효율을 향상할 수 있다. 이러한 나노입자의 장점을 효율적으로 활용하기 위해서는 전극 제작에 필요한 전도성 첨가제나 바인더(binder)와 같은 다른 보조 물질들과의 안정적인 결합을 통해 전극 내에서 균일하게 분포된 것이 중요하다.
□ 하지만, 전극을 만드는 보편적인 방법인 슬러리(slurry) 코팅법은 나노입자 기반의 전극에 적용하는 데 다음과 같은 한계점이 존재한다. 먼저, 높은 에너지 밀도를 구현하기 위해서는 활물질 대비 다른 보조 물질의 비율을 최소화해야 한다. 하지만, 나노입자는 비표면적이 높기 때문에 슬러리 제작에 필요한 보조 물질의 비율이 높아져야 할 뿐만 아니라, 나노입자 표면에 존재하는 리간드(ligand)는 절연성 유기물로서 전극 내에서 저항으로 작용한다. 또한, 물리적 혼합을 기반으로 하는 슬러리는 나노입자와 전도성 첨가제 간의 결합을 고려하지 않았기 때문에 전극 내 균일한 분포를 유도하기 어렵다.
□ 전하 전달에 있어서 전극과 전해질 간의 젖음성 또한 고려해야 할 요소이다. 대부분 수용액의 전해질을 사용하는 슈퍼커패시터에서 무극성 물질인 전도성 첨가제(탄소 나노 튜브, 카본 블랙) 나 바인더(poly(vinylidene fluoride))는 전극과 전해질 계면에서 두꺼운 확산층을 형성하기 때문에 전하 전달을 방해한다. 특히, 탄소 나노 튜브나 카본 블랙은 분산성이 좋지 않아 서로 응집되기 쉬워 전극 내 불균일한 전하 분포를 유도할 수 있다.
□ 이에 본 연구팀은 전도성 첨가제인 카본 블랙의 화학적 처리를 통해 작용기가 부여된 탄소 나노 올리고머를 만들고, 활물질 나노입자와의 계면 결합을 기반으로 한 어셈블리(assembly) 기술을 통해 바인더 없이도 균일한 전하 전달 경로가 확보된 전극을 제작했다.
□ 탄소 나노 올리고머는 바인더의 도움 없이 활물질 나노입자 표면과 직접 강하게 결합할 수 있는 작용기를 가지고 있기 때문에 전극 내에서 전도성 첨가제의 역할과 바인더의 역할을 동시에 할 수 있었다. 특히, 나노입자 표면의 리간드를 떼어내고 그 자리에 탄소 나노 올리고머가 결합 되는 리간드 치환 반응 기반의 어셈블리를 통해 전극 내 절연성 유기물을 완전히 제거할 수 있었다.
□ 이를 3D 직물형 전도체에 적용하여 활물질의 로딩 양을 평판 대비 비약적으로 증가시킬 수 있었고, 높은 로딩 양에서도 원활한 전하 전달을 유지하여 1,725 mF cm-2의 우수한 면적당 용량 및 안정성이 확보된 전극을 제작했다.
□ 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 KU-KIST 사업에서 지원된 연구비의 지원으로 수행됐다. |
담당부서 | 화공생명공학과 조진한 교수 (02-3290-5928) |
문 의 | 커뮤니케이션팀 (02-3290-1063) |