아연-이온 하이브리드 슈퍼커패시터 시작품. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 안건형 교수팀은 미국 연구중심 대학인 카네기멜런대학(CMU) 연구팀과 공동으로 연구한 논문이 에너지 분야 세계적 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'(IF 27.8, JCR 상위 2.5%) 최신호에 게재되며 뒤표지에도 선정됐다고 밝혔다.

이 논문에는 카네기멜런대학 이영근 박사과정 연구원과 경상국립대 대학원 에너지시스템공학과 석사과정 유근 학생이 공동 1저자로 참여했다.

논문 제목은 '아연-이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 산화환원 반응 향상을 위한 조절 가능한 바나듐-아연 수화물의 계면 전기화학 매체 엔지니어링 연구(Interfacial Electrochemical Media-Engineered Tunable Vanadium Zinc Hydrate Oxygen Defect for Enhancing the Redox Reaction of Zinc-Ion Hybrid Supercapacitors)'이다.

최근 환경과 에너지에 대한 우려가 커지면서 친환경적이고 안전한 전기 화학 에너지 저장 시스템의 개발 필요성이 높아졌다. 리튬-이온 배터리 기술은 높은 에너지 밀도와 장기적인 안정성 때문에 스마트폰·전기차 등의 일상적인 기기에 사용되고 있지만 폭발 및 화재 위험성이 있고, 비용이 많이 드는 양극재료와 복잡한 제조 과정 등의 문제점이 있다.

이에 따라, 아연-이온 슈퍼커패시터가 발화·폭발 위험성이 없으며, 친환경성, 저비용, 안전성, 고출력 밀도 등의 장점으로 인해 리튬-이온 배터리의 대안으로 주목받고 있다.

하지만, 아연-이온 슈퍼커패시터는 몇 가지 문제점으로 인해 상업적으로 활용이 제한되고 있다. 문제점에는 활성 사이트의 제한, 낮은 습윤성, 전극에서 불연속한 아연 덴드라이트 형성으로 인한 낮은 사이클링 안정성과 이로 인한 낮은 용량 및 장기 안정성 등이다. 따라서, 기존 에너지 저장 장치의 대안으로 기능할 수 있는 수계 아연-이온 슈퍼커패시터 개발이 필요한 상황이다.

경상국립대-카네기멜런대 공동연구팀은 바나듐(IV) 산화물 황산염(VOSO4)을 전해질 첨가제로 도입해 아연-이온 하이브리드 슈퍼커패시터의 제조 및 인터페이스 엔지니어링을 최초로 제시하고, 첨가제의 전기화학적 성능의 효과를 입증했다.

양극과 음극에 자발적으로 형성된 아연 바나듐 수화물(ZVO) 층은 전해질과 전극 사이의 습윤성을 향상시켜 계면 전도성과 확산 능력을 향상시켰다. 양극의 ZVO 층은 아연(Zn) 이온 삽입을 위한 새로운 활성 부위로 작용해 전체 에너지 용량을 증가시켰으며, 음극에서의 ZVO 층은 비가역적인 아연 수상 돌기의 형성을 억제해 사이클링 안정성을 향상시켰다.

이번 논문의 공동 1저자인 카네기멜런대학교 박사과정 이영근 연구원은 "차세대 에너지 저장소자로 각광받는 아연-이온 슈퍼커패시터를 연구할 수 있어서 즐거웠으며, 표지논문으로 선정돼 매우 뜻깊다. 연구를 하도록 많은 노력을 해주신 안건형 교수님과 연구원분들께 감사드린다"고 말했다.

공동 1저자로 참여한 경상국립대 석사과정 유근 학생은 "이번 연구가 학교에서 인정받아 에너지 분야의 저명한 국제 학술지에 게재되는 것은 매우 기쁘고 영광으로 생각한다. 이러한 연구성과는 협력하는 동료들과 지도교수님의 지원 덕분에 가능했다"며 "앞으로도 에너지 저장기술 분야의 연구를 지속해 새로운 혁신을 이뤄내고 지속가능한 에너지 시스템의 발전에 기여하고자 한다"고 말했다.

연구책임자인 안건형 교수는 "수계 전해질 기반의 에너지 저장 기술이 다시 주목받을 수 있는 발견이며, 이를 토대로 후속 기술 개발을 통해 산업화에 적극적으로 도전할 계획이다"고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 신진연구자지원사업의 지원으로 수행했다.