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구부려도 성능 그대로 축전지 개발

박호석 성균관대·징콩 MIT 교수 연구팀, 폴리비닐알콜과 그래핀 접목해 성공

제조된 그래핀 에어로젤의 주사전자현미경(좌상) 및 투과전자현미경 이미지 (우상). 그래핀 에어로젤 전극 기반의 슈퍼커패시터 (좌하) 및 측정결과 (우하).<이미지=한국연구재단 제공>

국내외 공동연구진이 구부려도 성능이 떨어지지 않는 전극 소재를 개발했다. 또 이 전극소재를 이용해 부피가 십분의 일로 줄어든 극한 상황에서도 효율적으로 에너지를 공급할 수 있는 신기능성 축전지를 구현하는데 성공했다.

박호석 성균관대 교수와 징 콩(Jing Kong) 미국 MIT교수 연구팀이 수용성 고분자 폴리비닐알콜과 그래핀을 접목해 자유자재로 압축하고 복원이 가능하며 내구성이 뛰어난 전극소재를 개발하는데 성공했다.

최근 에너지 저장분야에서는 용량이 커서 많은 에너지를 제공할 수 있는 전극 소재(다공성 나노구조체화된 전극소재) 개발에 전념 중이다.

그러나 용량이 제한되거나 극한 상황에서도 에너지를 공급하려면 소자를 압축해야하는데 이때 전극구조가 무너지며 성능이 떨어지는 단점이 있었다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 초다공성·초압축성·초내구성을 갖는 그래핀 기반의 전극소재를 개발했다.

박호석 교수 연구팀은 벽을 타고 올라간 담쟁이넝쿨과 같은 형태로 폴리비닐알콜을 물리적으로 네트워킹한 그래핀을 화학적으로 결합시켜 그래핀 에어로젤을 만들었다.

폴리비닐알콜은 물에 녹을 수 있는 고분자로 필름형성, 에멀전, 접착 특성이 뛰어나고 기름이나 윤활유에 안정적이다. 또 우수한 유연성을 지니고 있다.

도입된 폴리비닐알콜은 마치 엉킨 실과 같은 형태로 인접한 그래핀들을 강하게 묶어, 결과적으로 높은 다공도를 유지하면서도 기계적 물성이 크게 향상된 그래핀 에어로젤을 제조할 수 있었다.

또 외부 압력에도 그래핀 에어로젤 기공들이 뭉치거나 무너지는 것을 방지해 그래핀 에어로젤이 우수한 기공특성과 낮은 밀도를 갖도록 도왔다.

연구팀은 이를 통해 접거나 구부려도 에너지 공급 성능이 저하되지 않는 내구성이 탁월한 신기능성 축전지를 구현하는데 성공했다.
 
기공특성과 기계적 물성이 향상된 그래핀 에어로젤은 슈퍼커패시터용 전극소재로도 응용되었다. 부피를 십분의 일로 줄여도 무게 당 에너지 저장 능력은 그대로로 체적 당 에너지 저장 능력은 10배 이상 향상됐다. 1000회 이상 반복적인 부피변화 조건에도 성능은 그대로였다.

이번 연구성과로 기존의 에너지 저장장치의 부피와 무게의 한계로 개발할 수 없었던 전기자동차, 모바일기기, 우주선 등에 크기는 작으면서 자유자재로 구부릴 수 있는 에너지 저장장치로 활용할 수 있게 됐다.

또 소비자의 다양한 요구에 맞춰 자유롭게 디자인할 수 있는 신기능성 에너지 저장소자로도 활용될 수 있게 됐다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구네트워크지원사업으로 수행됐다. 연구결과는 재료분야 권위지인 'Advanced Functional Materials'에 게재 승인됐으며 연구의 중요성과 시급성을 인정받아 Back cover 논문으로 사전에 출판됐다.(on-line early view, 2014.12.18). 논문명 : Reversibly compressible, highly elastic, and durable graphene aerogels for energy storage devices under limiting conditions.

박호석 교수는 "제한된 공간과 무게 조건에서 안정적 효율적으로 에너지를 저장하거나 공급할 수 있는 신개념 전극을 개발해 네어지 저장 소재 분야에서 또다른 응용가능성을 열었다"면서 "새로운 시장과 고용창출의 가능성도 제시했다"고 연구의의를 밝혔다.

 
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