고농도 수계 전해질 기반 고주파 슈퍼커패시터 개발

“점도가 높은 고농도 전해질에서도 이온 수송이 매우 빠를 수 있을까?”
김웅 교수팀, 고농도염 수계 전해질의 빠른 이온 수송 특성을 이용하여 고주파용 슈퍼커패시터 구현
ACS Energy Letters 온라인 게재

▲ 왼쪽부터 박진우 박사(제1저자), 이준영 석사과정(제2저자), 김웅 교수(교신저자)

공과대학 신소재공학부 김웅 교수팀은 고농도염 수계 전해질 내에서의 이온 수송이 높은 점도에도 불구하고 기존의 묽은 수계 전해질 수준만큼 효과적으로 빠르게 일어날 수 있음을 초고속 슈퍼커패시터 구현을 통해 입증했다.
*염: 양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합한 화합물*전해질: 염이 물 등의 용매에 양이온과 음이온으로 해리된 용액으로, 이온들의 이동을 통해 전류를 흐르게 하는 에너지 저장 소자의 주요 구성요소
*슈퍼커패시터: 전극 표면에 전해질 이온이 정전기적 인력에 의해 물리적으로 흡·탈착하여 에너지를 저장·방출하는 에너지 저장소자

물을 기반으로 하는 수계 전해질은 비수계 유기 전해질에 비하여 높은 전도도, 낮은 휘발성, 낮은 가연성, 높은 환경 친화성, 낮은 가격 등 많은 장점이 있다. 하지만, 1.23 V 이상의 전압을 가하면 물이 분해되므로 그 이상의 높은 전압에서 사용할 수 없다는 큰 단점으로 인해 응용 분야가 제한적이었다. 최근 고농도염 수계 전해질은 적은 수의 자유 물 분자 및 이온-물 분자 사이의 강한 상호작용으로 전기화학적 물분해가 억제되고, 이로 인해 넓은 작동 전압범위 (2~3 V) 특성을 갖는다는 것이 밝혀져 많은 연구자들의 관심을 모으고 있다. 하지만, 염 농도가 증가하면 전해질의 점도도 같이 증가하게 되므로, 일반적으로 고농도염 수계 전해질 내에서의 이온 수송이 보통의 묽은 수계 전해질에 비해 훨씬 어려울 것으로 예상됐다.

고려대 연구팀은 이러한 일반적인 예상과는 다르게 고농도염 수계 전해질에서도 이온 수송이 매우 빠를 수 있다는 사실을 다양한 전기화학적 특성평가 및 고주파 슈퍼커패시터 작동 시연을 통해 입증했다. 점도가 높은 고농도염 수계 전해질에서도 상당히 빠른 이온 이동이 가능하게 된 가장 큰 요인은 고농도염 수계 전해질의 특별한 전해질 구조 때문이다. 고농도염 수계 전해질은 다량의 염들이 서로 뭉쳐져 형성된 염 네트워크 구조체와 그 사이를 채우며 연결된 소량의 물들로 형성된 물 네트워크 구조체로 이루어진다. 이러한 물 네트워크를 따라 이온들이 이동하므로 마치 묽은 농도의 전해질에서 이온이 이동하는 것처럼 빠르게 이동이 가능한 것이다.

이 연구를 통하여 개발된 ‘고농도염 수계 전해질 기반 슈퍼커패시터’는 60-Hz로 빠르게 변화하는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류라인 필터링 회로에서도 커패시터로써 역할을 문제없이 해냈다. 현재 교류라인 필터링 회로에서 주로 사용되는 커패시터는 부피가 매우 큰 알루미늄 전해 커패시터이다. 고농도염 수계 전해질 기반 슈퍼커패시터는 수계 전해질의 빠른 이온 수송 특성을 고스란히 가지고 있으면서도 물분해 전압보다 훨씬 높은 전압 (~2.3 V)에서 작동한다. 뿐 만 아니라 부피도 작으므로 기존 알루미늄 전해 커패시터를 대체하여 다양한 전자기기의 소형화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 저명 학술지인 ACS Energy Letters (IF: 19.003)에 2월 1일자 (미국 현지시간 기준) 온라인 게재됐으며, 한국연구재단 중견연구자 지원사업과 고려대학교 교내 연구교원 지원사업의 지원으로 진행됐다.
- 저자정보: 박진우 박사(제1저자, 고려대 공학연구원), 이준영 석사과정(제2저자, 고려대 신소재공학부), 김웅 교수(교신저자, 고려대 신소재공학부)
- 논문명: Water-in-Salt Electrolyte Enables Ultrafast Supercapacitors for AC Line Filtering
- ACS Energy Lett. 2021, 6, 769-777

[ 그 림 설 명 ]

▲그림 1. 저농도 (좌측 상단, 1 m NaClO4/H2O)와 고농도 (우측 상단, 17 m NaClO4/H2O)의 염을 포함하는 수계 전해질의 용매화 구조 (흰색: 수소; 빨간색: 산소; 초록색: 염소; 보라색: 나트륨). 고농도 (17 m NaClO4/H2O) 및 저농도 (1 m NaClO4/H2O)염 기반 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성평가 비교: 진동수 변화에 따른 위상각 변화 (좌측 하단). 순환 전압-전류 곡선 (우측 하단, 주사 속도 = 10 V s-1).

▲그림 2. 고농도염 수계 전해질 기반 슈퍼커패시터의 교류라인 필터링 특성평가.
입력 교류 전압 (V픽 = ±2.49 V, 60 Hz, 검정선), 정류된 펄스 형태의 직류 전압 (V = 0–2.28 V, 120 Hz, 파란선), 슈퍼커패시터에 의해 필터링된 일정한 직류 전압 (~2.08 V, 빨간선).

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)