나노기공 속 고분자 고르게 분산…슈퍼커패시터 고속 충·방전 성능 개선

다공성 탄소의 나노기공 안에 전도성 고분자를 고르게 형성해 빠른 충·방전 조건에서도 슈퍼커패시터의 정전용량을 유지하는 공정기술이 개발됐다.

한국연구재단은 임진형 국립공주대학교 교수 연구팀이 맞춤형 유동층 반응기를 설계하고 이를 활용한 동적 증기상 중합(D-VPP) 공정을 개발했다고 밝혔다.

슈퍼커패시터는 전극과 전해질의 계면에서 이온을 흡착하거나 빠른 산화·환원 반응을 일으켜 전기에너지를 저장하는 장치다. 충·방전 속도가 빠르고 짧은 시간에 많은 전력을 공급할 수 있어 전기차 회생제동과 산업용 전력 보조, 재생에너지 출력 안정화 등에 활용된다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 지원사업으로 수행됐다. 결과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 지난달 27일 온라인 게재됐다.


분말 움직여 증기 접촉 확대…기공 막힘 완화
규칙적 메조다공성 탄소(OMC)는 넓은 표면적과 서로 연결된 나노기공을 갖지만 주로 전기이중층 방식으로 전하를 저장해 에너지 저장량을 높이는 데 한계가 있다.

전도성 고분자인 폴리피롤(PPy)을 결합하면 산화·환원 반응을 통한 추가 전하저장 기능을 부여할 수 있다. 그러나 PPy가 탄소 입자 표면이나 일부 기공 입구에 집중되면 전해질 이온의 이동통로가 좁아져 빠른 충·방전 조건에서 기공 내부를 충분히 활용하기 어렵다.

기존 정적 증기상 중합(VPP)은 분말이 움직이지 않는 상태에서 단량체 증기를 공급한다. 이 때문에 증기와 분말의 접촉이 제한되고 고분자가 특정 부위에 집중되거나 기공 입구를 막을 수 있다.

연구팀은 소재와 고분자 함량뿐 아니라 증기와 분말의 접촉 방식이 전극 성능에 영향을 줄 수 있다고 보고 유동층 반응기를 이용한 D-VPP 공정을 설계했다.

질소를 이용해 피롤 단량체 증기를 분말층 아래에서 지속적으로 공급하고 기계적 진동으로 입자를 움직이는 방식이다. 분말과 증기가 반복적으로 접촉하도록 해 입자 응집과 국소적인 기체 통로 형성을 줄이고, PPy가 나노기공 안에 고르게 분산되도록 구성했다.

고속 조건 정전용량 유지율 92.3%…정적 공정은 37.0%
연구팀은 공정 방식에 따른 차이를 확인하기 위해 하나의 산화제 담지 OMC 배치를 동일하게 나눴다. D-VPP와 정적 VPP의 반응 온도와 시간도 같은 조건으로 유지했다.

전자현미경과 기체흡착, 열분석, X선 분석 결과 D-VPP 시료에서는 정적 공정 시료보다 PPy가 공간적으로 고르게 분산됐다. 전해질 이온이 드나드는 나노기공의 접근성도 상대적으로 잘 유지됐다.

충·방전 속도를 높인 조건에서 D-VPP 전극은 초기 정전용량의 92.3%를 유지했다. 정적 VPP 전극은 37.0%에 그쳤다.

전하이동저항은 정적 공정으로 만든 전극보다 약 93.1% 감소했다. 연구진은 전도성 고분자의 양뿐 아니라 실제 전하저장에 활용될 수 있는 나노기공 내부에 고르게 도입하는 공정 설계가 중요하다는 점을 확인했다고 설명했다.

임진형 교수는 “이 기술은 전지 전극, 촉매 지지체, 센서 등 다양한 다공성 소재의 기능화 공정에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”라고 전망했다.

제1저자인 조영휘 박사과정생은 후속 연구를 통해 연속식 분말 투입·회수와 증기 농도·온도·체류시간 제어 기술을 확보하고, 다양한 다공성 소재와 에너지저장 소자로 적용 범위를 넓힐 계획이라고 설명했다.

현재 개발된 기술은 유동층 반응기 기반 공정의 성능을 비교한 연구 단계다. 연속식 운전과 공정변수 제어, 대량 처리 가능성은 후속 연구에서 검증해야 한다.