슈퍼커패시터 성능 극대화…초고속 충·방전 공정 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 다공성 탄소의 나노기공 내부에 전도성 고분자를 보다 고르게 도입해 슈퍼커패시터의 빠른 충·방전 성능을 높이는 공정기술이 개발됐다.

슈퍼커패시터는 전극과 전해질의 계면에서 이온을 흡착하거나 빠른 산화·환원 반응을 일으켜 전기에너지를 저장하는 장치다. 짧은 시간에 많은 전력을 공급할 수 있고 충·방전 속도가 빠르며 수명이 긴 것이 특징이다.

한국연구재단은 공주대학교 임진형 교수 연구팀이 증기와 분말의 접촉을 제어하는 맞춤형 유동층 반응기를 직접 설계하고, 이를 이용한 동적 증기상 중합(D-VPP) 공정을 개발했다고 4일 밝혔다.

규칙적인 나노기공을 가진 다공성 탄소(OMC)에 전도성 고분자를 결합하면 전도성과 전하저장 능력이 함께 높아진다. 그러나 전도성 고분자가 입자 표면이나 기공 입구에 몰리면 전해질 이온의 이동통로가 좁아져, 빠른 충·방전 시 효과가 떨어진다.

특히 분말이 움직이지 않는 정적 증기상 중합은 단량체 증기의 공급이 제한돼 고분자가 국소적으로 형성되지만, 기존의 연구는 소재·함량에 집중해 증기–분말 접촉 방식의 영향 규명이 부족했다.

연구팀은 단량체 증기를 지속 공급하며 분말을 움직여 반복적인 증기–고체 접촉을 유도하는 유동층 반응기 기반 D-VPP 공정을 제안했다.

공정은 직접 구축한 반응기는 3개의 병렬 반응라인과 맞춤형 유동층 반응기로 구성됐다. 질소로 피롤 단량체 증기를 분말층 아래에서 공급하고 기계적 진동을 더해 입자 응집과 국소적인 기체 통로 형성을 완화하도록 설계했다.

공정 효과를 확인한 실험에서 충·방전 속도를 높였을 때 D-VPP 전극은 초기 정전용량의 92.3%를 유지한 반면, 정적 공정 전극은 37.0%에 그쳤다. 전하이동저항도 정적 공정 대비 약 93.1% 감소해 효과적인 활용을 입증했다.

연구팀은 이번 연구가 반응기와 공정 설계가 고분자의 배치, 기공 접근성과 빠른 충·방전 성능을 결정할 수 있음을 보여준 점에서 차별점을 가진다고 설명했다.

임 교수는 "이 기술은 전지 전극, 촉매 지지체, 센서 등 다양한 다공성 소재의 기능화 공정에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다"고 강조했다.

연구 제1저자 조영휘 박사과정생은 "후속연구를 통해 대량 처리를 위한 연속식 분말 투입·회수와 함께 증기 농도·온도·체류시간을 정밀하게 제어하는 기술을 확보하고, 향후 다양한 다공성 소재와 에너지저장 소자에 적용할 계획"이라고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원사업으로 수행된 이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 '캐미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 온라인 게재됐다.

jongseo12@news1.kr