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'슈퍼커패시터'통합검색 결과 입니다. (4건)

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공간효율 배터리 수준…GIST, 차세대 슈퍼커패시터 개발

공간효율을 배터리 수준으로 끌어올린 차세대 슈퍼커패시터가 개발됐다. 고성능 레독스 전지 설계가 가능해질 전망이다. 광주과학기술원(GIST)은 화학과 박찬호 교수와 신소재공학과 유승준 교수 연구팀이 전극과 전해질 계면에서 일어나는 상호작용을 정밀하게 제어하는 방법으로 레독스 슈퍼커패시터의 에너지 저장 성능을 크게 향상시키는 데 성공했다고 19일 밝혔다. 레독스는 산화와 환원 반응을 말한다. 배터리 처럼 전자를 주고 받으며 전류를 발생한다. 최근 에너지저장장치(ESS)로 인해 재생에너지 저장 핵심기술로 주목받고 있다. 박찬호 교수는 "커패시터처럼 빠른 반응성과 긴 수명을 유지하면서도 배터리에 가까운 에너지 밀도를 구현했다는 점에서 차세대 에너지 저장 장치 개발에 중요한 전환점이 될 것"으로 기대했다. 기존 레독스 슈퍼커패시터는 에너지 밀도를 높이기 위해 전해질 속 레독스 활성물질 농도를 높이는 방식이 주로 사용됐다. 그러나 이는 활성물질이 전극 사이를 자유롭게 이동하며 에너지가 새어 나가는 자가방전 현상을 유발하고, 충·방전 효율(쿨롱 효율)도 떨어뜨리는 단점이 있었다. 연구팀은 이 같은 단점을 해결하기 위해 유기화합물과 전해질 성분인 펜틸바이올로젠(PV)과 브로마이드(Br)를 각각 음극과 양극 전해질로 사용하는 듀얼 레독스 시스템을 도입했다. 이와함께 레독스 활성물질이 효과적으로 흡착되고 확산될 수 있도록, 미세기공(2nm 이하)과 중형기공(2~50 nm)이 적절히 분포된 다공성 탄소 전극을 개발한 뒤 서로 다른 기공 크기를 조절할 새로운 합성법도 찾아 공정 비용을 낮췄다. 실험결과 연구진은 PV 분자 흡착량이 에너지 밀도에 중요한 영향을 미친다는 것과 2~10 nm 크기 중형기공이 PV 분자 흡착과 확산에 가장 효과적이라는 사실을 확인했다. 연구팀은 비표면적이 3천309 m2/g, 기공 부피는 2.38 cm3/g인 탄소 전극을 써서, 수계 레독스 커패시터 시스템에서 에너지 밀도 125 Wh/kg을 안정적으로 구현했다고 설명했다. 유승준 교수는 “에너지 저장 장치의 성능을 끌어올리기 위해서는 단순히 소재 성능뿐만 아니라, 소재 간 상호작용에 대한 이해가 필수적”이라며, “향후 다양한 고성능 레독스 전지 설계에 중요한 지침이 될 것”이라고 강조했다. 연구는 김종경 박사와 조영훈 박사과정생이 공동 1저자로 참여했다. 한국연구재단 단계도약형 탄소중립 기술개발사업 및 중견연구자지원사업 지원을 받았다. 연구 결과는 국제학술지 스몰에 온라인(4월 28일)으로 게재됐다.

2025.05.19 10:37박희범

KIST, 값싼 고성능 슈퍼커패시터 개발…10만회 충·방전에도 "새 것처럼"

10만회 충방전에도 끄떡없는데다, 가격 경쟁력까지 갖춘 고성능 슈퍼커패시터가 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 탄소융합소재연구센터 구본철, 김서균 박사 연구팀과 서울대학교 박원철 교수 연구팀이 기존 슈퍼커패시터의 한계를 극복한 혁신적인 에너지 저장 장치를 개발했다고 30일 밝혔다. 슈퍼커패시터는 일반 배터리에 비해 빠른 충전 속도와 높은 전력 밀도를 보이는 것이 특징이다. 수만 회의 충·방전 사이클에도 성능 저하가 적다. 그러나 상대적으로 에너지 밀도가 낮아 장시간 사용에는 제약이 있다. 이로인해 전기차나 드론 등 실제 사용에서 활용이 어렵다. 연구진은 이러한 문제 해결을 위해, 전도성이 뛰어난 단일벽 탄소나노튜브와 가공성이 좋고, 재료비가 저렴한 폴리아닐린을 나노 수준에서 균일하게 화학적으로 결합, 정교한 섬유 구조체를 제작하는데 성공했다. 고성능 슈퍼커패시터 개발 연구진. 왼쪽부터 KIST 구본철 책임, 김서균 선임, 김중환 박사후연구원, 박원철 서울대 교수, 이동주 KIST 박사후연구원. 탄소융합소재연구센터 구본철 책임연구원은 "이 구조체로 제작한 슈퍼커패시터는 10만 회 이상의 충·방전 테스트에서도 안정적인 성능을 유지했다"며 "전력이나 에너지 밀도도 기존 대비 10배 이상 우수하다"고 설명했다. 구 책임은 "기존 배터리 시스템을 대체하거나 보완하는 형태로 활용될 수 있다"며 "전기차에 적용할 경우, 급속 충전과 더불어 효율적인 전력 공급이 가능해져 주행 거리와 성능 모두를 향상시킬 수 있다. 드론이나 로봇 등의 분야에서도 운용 시간 증가 및 안정성 강화 등 다양한 효과가 기대된다"고 부연 설명했다. 연구진은 이번에 개발한 복합 섬유(CNT-PANI)는 기계적 유연성이 뛰어나 휘거나 접을 수 있어 웨어러블 기기 등 차세대 전자 소자에도 적용 가능할 것으로 내다봤다. 구 책임은 "저가 재료인 고분자 폴리아닐린을 사용, 생산비 절감 및 대량 생산 가능성도 확보했다"며 "향후 탄소나노튜브 기반 초고성능 탄소섬유 개발 및 산업화에 매진할 계획”라고 밝혔다. 연구는 과학기술정보통신부(KIST 기관고유사업, 지역혁신선도기술개발사업, 학연플랫폼구축시범사업)와 산업통상자원부(소재부품기술개발사업) 지원을 받았다. 연구성과는 국제 학술(Composites Part B: Engineering) 최신호에 게재됐다.

2025.04.30 12:00박희범

한전, 주파수 보조서비스 시장 해외 진출 나선다

한국전력공사(대표 김동철)는 3일(현지시간) 아일랜드공화국 기업진흥청에서 아일랜드 ESS 사업자인 럼클룬에너지와 '슈퍼커패시터 ESS 신규 사업화 모델 개발을 위한 국제 개발 협력' 양해각서를 체결했다고 밝혔다. 업무협약은 전력 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상하는 한전의 슈퍼커패시터 ESS 기술을 아일랜드 주파수 보조서비스 시장에 적용하고자 추진됐다. 럼클룬에너지는 아일랜드 최대 규모 ESS 프로젝트에 참여하고 있는 발전·신재생에너지 사업 전문 개발사로, 2021년부터 아일랜드 중부지역(오팔리카운티)에 200MW 주파수 제어 배터리 상업 운전에 참여하고 있다. 2025년에는 추가로 200MW 계통 안정화 ESS 프로젝트에 참여해 상업운전할 계획이다. 한전 관계자는 “아일랜드 전력계통은 높은 풍력발전 비중으로 주파수 변동이 잦고 폭이 커 빠른 응답속도와 장수명을 가진 슈퍼커패시터 기술을 적용하기에 적정한 시장”이라고 설명했다. 한전은 신속하게 대응할 수 있고 성능 저하 없이 높은 사이클을 갖춘 에너지 저장 솔루션 필요성을 파악하고, 2016년부터 슈퍼커패시터 개발에 착수, 현재 세계 최대 규모인 1MW 주파수 조정 슈퍼커패시터 시스템을 실 계통에 연계해 운영하고 있다. 한전은 이번 국제개발협력을 통해 초속응성 슈퍼커패시터를 아일랜드 현지 계통에 실증해 글로벌 사업화를 위한 비즈니스 모델을 개발한다는 계획이다. 앞으로 아일랜드 주파수 조정 보조시장 참여를 위한 공동개발협약(JDA)도 추진할 예정이다. 심은보 한전 전력연구원장은 “한전이 보유한 주파수 조정용 슈퍼커패시터 ESS 기술이 국내에서 성공적으로 개발됐고, 이를 바탕으로 해외에서 성공적으로 실증된다면 이른 시일 안에 글로벌 사업화도 가능할 것으로 보인다”며 “앞으로 한전 보유 기술의 국제 사업화 추진을 위해 최선을 다하겠다”고 밝혔다.

2024.09.04 11:25주문정

수계 슈퍼커패시터 고속 충방전 위한 전해질 최적농도 찾았다

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 전해질에서 염의 농도를 변화시켜 슈퍼커패시터(Supercapacitor)의 주요 성능을 향상시키는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 슈퍼커패시터는 화학반응을 이용한 리튬계 배터리와 달리 전극과 전해질 계면에서 이온들의 물리적 흡·탈착을 통해 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치다. 일반 커패시터에 비해 축전 용량이 크고 에너지 밀도가 높다. 급속으로 충방전해도 열이 적게 발생하고 반영구적 사이클 수명을 갖는다. 급속한 전력 공급이 필요한 분야에 적합해 태양광‧풍력 등 신재생 에너지 분야에서 수요가 늘고 있다. 기존 슈퍼커패시터에 쓰이는 가연성 유기 용매 기반 전해질은 폭발 위험과 환경 문제 등의 우려가 있다. 이에 따라 안전하고 친환경적인 물 기반 수계전해질을 이용한 에너지저장장치 개발을 위한 연구가 활발하다. 하지만 물은 1.24V에서 전기 분해되어 작동전압을 넓히기 어렵고, 0℃에서 얼기 때문에 겨울철 에너지 저장 성능을 내는데 한계가 있다. 작동전압이 넓고 이온전도도가 적절하며, 전극과 전해질 사이 고체막(SEI)이 안정적인 초고농도 수계전해질(WISE, water-in-salt electrolyte)을 사용해 기존 수계전해질의 문제를 극복하려는 연구가 진행되어 왔으나, 고농도 전해질에 대한 고려 없이 성능 개선에만 초점을 맞췄을 뿐 체계적 분석은 이뤄지지 않았다. GIST 신소재공학부 유승준 교수와 윤명한 교수, 홍익대 신소재공학과 이동욱 교수 공동연구팀은 가격이 저렴한 포타슘 아세테이트(KOAc) 기반 초고농도 수계전해질 내 이온-이온간, 이온-물분자간 물리화학적 상호작용 및 전해질의 농도별 구조 특성을 분석했다. 이를 통해 다공성 전극 표면에서의 흡·탈착 거동을 밝혀냄으로써 이온전도도와 에너지 저장 특성이 최적화된 농도가 5m(몰랄 농도)임을 확인했다. 몰랄 농도는 용매 1㎏ 당 용질의 몰수를 말한다. 또 이 결과를 토대로 초고농도 수계전해질의 상평형도를 제시하고, 영하 20℃에서도 얼지 않고 안정적으로 구동되는 수계 슈퍼커패시터를 개발했다. 초고농도 수계전해질의 농도를 최적화해 수계슈퍼커패시터를 만드는 새로운 기준을 제시하고, 향후 배터리, 수소연료전지, 센서 등 고성능 수계 전자소자 개발에 기여하리란 기대다. 유승준 교수는 "염의 농도 변화만으로 에너지저장 특성의 최적화를 이룰 수 있음을 확인했다"라며 "기존 염 혹은 향후 개발될 전해질 최적화에 가이드라인을 제공할 수 있을 것"이라고 전망했다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단, 개인기초연구 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)'에 게재됐다.

2024.01.04 14:05한세희