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성게모양 '그래핀 공'으로 '슈퍼 전지' 만든다

중앙일보 2015.05.18 13:26


전기자동차 등에 쓰이는 슈퍼커패시터(supercapacitor, 빠르게 충ㆍ방전할 수 있는 고용량 전지)를 만들 수 있는 그래핀 합성 기술을 국내 연구진이 개발했다.



한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터의 손정곤ㆍ이상수 박사팀은 산화철 식각 공정을 통해 기존 기술 대비 전기저장 용량을 3~4배 이상 높인 성게 모양 그래핀 공 입자를 제작했다”고 18일 밝혔다.



그래핀은 탄소 원자 한 층으로 된 2차원 평면 구조체다. 전기 전도도가 우수하고 표면적이 넓어 이상적인 슈퍼커패시터 전극 소재로 일찍부터 주목받았다. 하지만 실제 전지로 만들면 예상보다 성능이 떨어졌다. 제조 공정에서 다층구조가 되거나 빈틈없이 뭉쳐 이온들이 다가갈 수 있는 면적이 줄어들기 때문이다.



연구팀은 강한 산을 써서 표면을 성게처럼 뾰족하게 식각한 산화철 입자를 이용해 이런 한계를 극복했다. 산화철 입자 표면에 그래핀을 코팅해 성게 모양 구조의 그래핀 분말을 만든 것이다. 이렇게 제조된 그래핀 공은 전극으로 만들었을 때 무게당 전기의 저장용량이 400 F/g(Farad, 전기 용량의 국제단위)로, 그래핀의 이론상 전기저장용량에 가까웠다. 또 외부의 강한 압력에도 형상과 물성이 그대로 유지돼 부피당 저장용량도 330 F/cm3까지 획기적으로 증가했다. 이는 기존 그래핀 전자 소자의 부피당 저장용량(100 F/cm3 이하)의 3~4배 이상 되는 성능이다.



연구팀은 “이번에 개발한 성게 모양 그래핀 공은 대량ㆍ저가 생산이 가능해 차세대 고성능 고압축 전지 제작에 활용 가능성이 크다”고 밝혔다. 연구 결과는 신소재 분야 국제 저널인 ‘어드밴스드 펑셔날 머트리얼스’ 온라인판에 소개됐다.



김한별 기자 kim.hanbyul@joongang.co.kr



※사진설명

전주주사현미경으로 그래핀이 코팅된 산화철 입자를 확대한 모습. (a) 성게 모양으로 식각되는 산화철 입자(왼쪽)과 실제 성게 모습. (b) 식각-환원 처리 시간에 따른 형상이 변하는 모습(왼쪽)과 최종적으로 제조된 구겨진 그래핀 공.
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