EEWS대학원 최장욱, 강정구 교수 공동연구팀이 에너지 저장용량이 크고 유연하게 구부러지는 ‘초용량 축전지(super capacitor)’를 개발하는 데 성공했다. 그래핀(graphene)에 질소를 첨가해 기존의 그래핀 전극보다 4배가량 많은 저장용량을 얻은 것이다. 이번 연구 결과는 나노과학분야 학술지인 <나노 레터스> 온라인판에 게재되었다.

고용량과 고출력의 딜레마

전지와 축전지의 차이는 무엇일까. 자동차로 비유하자면, 주행 거리에 해당하는 ‘용량’과 가속도에 해당하는 ‘출력’에 빗대 설명할 수 있다.

일반적으로 전지는 출력은 낮은 대신 용량이 큰 반면, 축전지는 출력이 높지만 용량은 작다. 이러한 차이는 전극에서 비롯된다. 축전지는 표면에서의 흡탈착 반응으로 구동되기 때문에, 저장할 수 있는 이온의 양이 적은 대신 높은 출력을 낼 수 있다.

이번에 개발된 초용량 축전지는 용량이 기존보다 크게 향상된 것으로, 한계를 극복함으로써 비로소 용량과 출력이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있게 되었다.

왜 ‘그래핀’인가

축전지의 용량을 증가시키기 위해서는 전극이 보다 더 많은 이온을 흡착할 수 있어야 한다. 흡착성은 단위 무게당 면적이 넓을수록 증가하는데, 탄소나노물질이 이러한 특성을 가져 그동안 널리 이용되어 왔다.

현재 전극 연구에 주로 이용되고 있는 탄소나노물질로는 탄소나노튜브, 기공성 탄소와 그래핀 등이 있다. 그래핀은 단일 원자층을 이루고 있어 무게당 면적이 가장 크다. 또한, 여러 층의 그래파이트(gra-phite)를 단일 층의 그래핀으로 쪼개는 공정은 다른 재료가 만들어지는 공정과 달리 대량생산이 가능하다. 그래핀의 휘어지는 성질을 이용하면 ‘입는 전지’의 개발로도 이어질 수 있다.

육각구조에 질소 첨가하니 저장용량 4배

이번 연구의 핵심인 질소 도핑(doping)은 탄소만으로 이루어진 그래핀의 일부를 다른 원소로 치환하는 것이다. 도핑에는 안정성이 높은 질소를 사용한다. 연구진은 당초 상대적으로 반응성이 높은 부위인 가장자리에만 도핑이 가능할 것으로 예상했지만, 플라즈마를 이용해 높은 에너지를 질소에 가하자 그래핀 전체를 도핑할 수 있었다.

질소는 탄소보다 최외각 전자가 하나 더 많아, 질소 도핑된 그래핀의 원자 구조는 육각형의 평면 구조가 변형되어 나타난다. 이 때 만들어지는 특정 원자 배열이 이온을 잘 흡착할 수 있는 특성을 나타낸다. 이러한 변형 그래핀 전극은 일반적인 그래핀 전극보다 에너지를 4배가량 저장할 수 있는데, 이는 기존에 개발된 가장 높은 용량의 축전지보다도 2배가량 저장용량이 큰 것이다.

2차 전지의 미래를 제시하다

이번 연구는 그래핀에 다른 원소를 섞는다는 간단한 아이디어를 통해 축전지의 저장용량을 크게 높이고, 2차 전지의 개발 방향을 제시했다는 데 의미가 크다.최 교수는 “초용량 축전지는 향후 차세대 전기자동차와 스마트 그리드(smart grid) 등에 응용되어, 고출력 고용량 에너지 저장소로서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 앞으로의 연구 방향에 관해서는 “그래핀에 다른 금속산화물 재료들을 접목해 더욱 높은 용량을 가지는 축전지를 개발할 것이다”라고 덧붙였다.