KIST, 슈퍼캐패시터 성능 향상 기술 개발

하이브리드 자동차의 보조동력으로 사용되는 슈퍼캐패시터의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST) 광 · 전자재료센터 김일두박사팀은 '나노섬유'형상의 루테늄산화물(RuO₂)을 손쉽게 대량으로 제조하는 기술을 개발해 이를 슈퍼캐패시터에 적용하는데 성공했다고 밝혔다.
슈퍼캐패시터는전기화학적에너지저장매체로서이
차전지 대체용 또는 배터리의 보조전원으로 최근 큰 주목을 받고 있다. 배터리 대비에너지밀도는 1/10 수준이나, 10배 이상의 출력, 수만 사이클이상의 충방전특성을 갖고 있어 반영구적으로 사용할 수 있으며, 순간가속이 필요한 전기자동차 및 전동공구 등에 꼭 필요한 부품이다. 전기자동차의 경우 장시간의 안정적인 전기는 배터리를 통해, 순간적인 고출력을 위한 전기는 슈퍼캐패시터를 통해 얻을 수 있다. 이때문에 미국, 일본기업들이 세계 유수의 완성차업체들과 손잡고 슈퍼캐패시터개발에 박차를 가하고 있으며, 국내기업들도 개발을 서두르고 있다.
현재까지 상용화된 슈퍼캐패시터는 탄소소재 표면에서는 전하의 흡착/탈착 과정을 이용해 전하를 축적하는 전기이중층 캐패시터(Electrical Double Layer Capacitor)가 대표적이다. 가격이 저렴한 반면 부피가 크고 축전용
량값(130F/g)이 상대적으로 낮아 크기제약이 따르는 중소형 및 고용량 캐패시터 분야에 적용이 제한적이었다.
이를 극복하기 위해 최근 금속산화물의 산화/환원 반응
을 이용한 초고용량 슈퍼캐패시터 개발 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 가운데 루테늄산화물은 가장 큰 축전용량값(700F/g 이상)을 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나 루테늄산화물은 가격이 매우 비싸고, 대량 생산하는 것이 까다롭기 때문에 로켓, 미사일추진체의 동력원과 같은 군수용의 특수용도로만 활용되어 왔다.
이번에 개발한 슈퍼캐패시터소재 제조기술은 나노섬유 형상의 루테늄산화물을 대량으로 제조할 수 있는 전기방사법을 이용해 고출력 · 고용량 특성을 갖도록한 기술이다. 일반적으로 이차전지의 사이클 수명이 1,000~2,000사이클 정도인데, 김일두 박사팀이 개발한 슈퍼캐패시터 소재는 30,000사이클의 테스트 후에도 700F/g 이상의 높은 비축전용량값을 유지했다.
또한 연구팀이 개발한 루테늄산화물은 나노섬유형상을 하고 있어 표면적이 넓고 섬유사이의 열린공간을 통해 수소(H+) 이온이 빠르게 이동할 수 있어 우수한 고출력 특성을 보인다. 한편 루테늄산화물 제조시에 다른 전구체를 손쉽게 첨가해 루테늄산화물의 결정도와 입자크기를 자유롭게 조절할 수 있는 원천기술을 확보해 한국과 미국 특허출원 · 등록을 진행중이다. 이 밖에도 연구팀은 망간산화물, 니켈산화물과 같은 대체물질에 대해서도 나노섬유 제조기술을 확보했으며, 나노섬유 제조기술을 이용해 슈퍼캐패시터 이 외에도 리튬-공기전지, 이차전지 및 연료전지용 촉매제 등으로 응용범위를 넓히고 있다.
김일두박사는 "1차원 나노섬유구조를 가진 전극소재를 이용해 수퍼캐패시터를 제조함으로써, 높은 비축전용량 특성과 고속출력이 동시에 가능해졌다"며, "특히 고출력 · 장수명 특성이 필수적인 용용분야에 활용가치가 높을 것"이라고 말했다.

글_백종윤 기자 <KIST (02)958-5114 / www.kist.re.kr>