탄소 나노 올리고머 기반 계면 결합을 통한
바인더 프리 직물형 슈퍼커패시터 전극 개발
조진한 교수 연구팀 논문 ‘Energy Storage Materials’ 게재

▲ (왼쪽에서) 안정연 석박사통합과정 (제1저자), 장우제 석박사통합과정 (제1저자), 

송용권 박사 (제1저자/Northwestern university), 조진한 교수 (교신저자), 고용민 박사 (교신저자)

화공생명공학과/KU-KIST 융합대학원 조진한 교수와 대구경북과학기술원 고용민 박사 연구팀은 친수성 작용기로 표면 개질된 탄소 나노 올리고머를 사용한 계면 결합 기술을 활용하여 나노입자 기반의 바인더-프리(binder-free) 직물형 슈퍼커패시터 전극을 개발했다.

이번 연구 결과는 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 학술지인 ‘Energy Storage Materials (IF = 20.4)’에 4월 12일 온라인 게재됐다.

- 논문명 : Binder-free, multidentate bonding-induced carbon nano-oligomer assembly for boosting charge transfer and capacitance of energy nanoparticle-based textile pseudocapacitors
- 논문 URL : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S240582972400223X

슈퍼커패시터는 전극의 표면에서 빠르게 일어나는 반응을 기반으로 전하를 저장한다. 따라서 전극 물질을 비표면적이 높은 나노입자의 형태로 만들게 되면 활성 면적이 증가하고 전하 전달 효율을 향상할 수 있다. 이러한 나노입자의 장점을 효율적으로 활용하기 위해서는 전극 제작에 필요한 전도성 첨가제나 바인더(binder)와 같은 다른 보조 물질들과의 안정적인 결합을 통해 전극 내에서 균일하게 분포된 것이 중요하다.

하지만, 전극을 만드는 보편적인 방법인 슬러리(slurry) 코팅법은 나노입자 기반의 전극에 적용하는 데 다음과 같은 한계점이 존재한다. 먼저, 높은 에너지 밀도를 구현하기 위해서는 활물질 대비 다른 보조 물질의 비율을 최소화해야 한다. 하지만, 나노입자는 비표면적이 높기 때문에 슬러리 제작에 필요한 보조 물질의 비율이 높아져야 할 뿐만 아니라, 나노입자 표면에 존재하는 리간드(ligand)는 절연성 유기물로서 전극 내에서 저항으로 작용한다. 또한, 물리적 혼합을 기반으로 하는 슬러리는 나노입자와 전도성 첨가제 간의 결합을 고려하지 않았기 때문에 전극 내 균일한 분포를 유도하기 어렵다.
* 리간드 : 나노입자와 같은 착화합물의 중심원자와 배위결합하며 주위를 둘러싸고 있는 분자 혹은 이온을 일컫는다

전하 전달에 있어서 전극과 전해질 간의 젖음성 또한 고려해야 할 요소이다. 대부분 수용액의 전해질을 사용하는 슈퍼커패시터에서 무극성 물질인 전도성 첨가제(탄소 나노 튜브, 카본 블랙) 나 바인더(poly(vinylidene fluoride))는 전극과 전해질 계면에서 두꺼운 확산층을 형성하기 때문에 전하 전달을 방해한다. 특히, 탄소 나노 튜브나 카본 블랙은 분산성이 좋지 않아 서로 응집되기 쉬워 전극 내 불균일한 전하 분포를 유도할 수 있다.

이에 본 연구팀은 전도성 첨가제인 카본 블랙의 화학적 처리를 통해 작용기가 부여된 탄소 나노 올리고머를 만들고, 활물질 나노입자와의 계면 결합을 기반으로 한 어셈블리(assembly) 기술을 통해 바인더 없이도 균일한 전하 전달 경로가 확보된 전극을 제작했다.

탄소 나노 올리고머는 바인더의 도움 없이 활물질 나노입자 표면과 직접 강하게 결합할 수 있는 작용기를 가지고 있기 때문에 전극 내에서 전도성 첨가제의 역할과 바인더의 역할을 동시에 할 수 있었다. 특히, 나노입자 표면의 리간드를 떼어내고 그 자리에 탄소 나노 올리고머가 결합 되는 리간드 치환 반응 기반의 어셈블리를 통해 전극 내 절연성 유기물을 완전히 제거할 수 있었다.

이를 3D 직물형 전도체에 적용하여 활물질의 로딩 양을 평판 대비 비약적으로 증가시킬 수 있었고, 높은 로딩 양에서도 원활한 전하 전달을 유지하여 1,725 mF cm-2의 우수한 면적당 용량 및 안정성이 확보된 전극을 제작했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 KU-KIST 사업에서 지원된 연구비의 지원으로 수행됐다.

<그림 1>

[그림 설명] 어셈블리 과정 및 직물형 전극 제작 방법 모식도

활물질인 망간 산화물 나노입자와 탄소 나노 올리고머 간 계면 결합 기반의 어셈블리를 활용하여 전극을 제작한다. 이를 직물형 집전체에 응용하여 빠른 전하 전달이 구현된 직물형 슈퍼커패시터 전극을 제작한다.