아주대 연구팀, 미래 에너지 활용 높일 2차원 나노 신소재 개발

고용량에너지 저장 슈퍼 커패시터 및 그린수소 생산에 적용

아주대 연구팀이 개발한 2차원 나노 신소재에 대한 설명도. 우수한 전기화학적 특성을 지니고 있어 미래 에너지 저장기술인 슈퍼 커패시터와 수소생산용전극에 모두 활용될 수 있을 것으로 기대된다.ⓒ 아주대 제공

국내 연구진이 우수한 전기화학적 특성을 가진 복합 나노 신소재를 개발했다. 이 신소재는 미래 에너지 저장 기술인 슈퍼 커패시터와 수소 생산용 양극에 모두 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

26일 아주대학교는 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)팀이 전기화학적 활성이 탁월한 니켈, 바나듐, 코발트 셀레나이드(Co(M)-NiSe₂–VSe₂)의 사성분계　2차원 나노시트 소재를 개발했다고 밝혔다.

관련 연구 내용은 '배터리 타입 슈퍼 커패시터와 산소 생성을 위한 동시 합성 Co(M)-NiSe₂–VSe₂에서의 도너 도핑 시너지 효과(Synergistic Effect of Donor Doping on in-situ Synthesized Co(M)-NiSe₂–VSe₂ for Battery-Type Supercapacitor and Oxygen Evolution)'라는 제목으로 화공분야 저널인 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)> 온라인 최신판에 게재됐다. 아주대 카디르 시알(Qadeer Akbar Sial) 박사(공학연구소 전임연구원)가 제1저자로 참여했다.

슈퍼 커패시터(Super Capacitor)는 지속 가능한 미래 에너지 활용에 핵심적인 역할을 하는 에너지 저장기술로 전기차, 휴대용 전자 장치 및 재생 에너지 시스템과 같이 빠른 에너지 저장 및 고전력 전달이 필요한 응용 제품에 활용된다. 기존의 이차전지와 달리 빠르게 충전 및 방전할 수 있고 수명이 길며 안전성이 높아, 신뢰도가 높은 고효율의 에너지 저장 솔루션이다. 필요할 때 폭발적인 전력을 공급해 배터리를 보완하는 슈퍼 커패시터는 에너지 시스템의 성능을 최적화해 재생 가능 에너지원으로의 보다 원활한 전환에 꼭 필요하다.

한편 수소를 핵심 에너지원으로 사용하기 위해 필수적인 부분인 '청정 수소' 생산은 효율적인 물 전기 분해를 통해 수소와 산소를 생산하는 수전해(水電解) 기술을 통해 가능하다. 온실가스인 이산화탄소 발생 없이 수소 에너지를 얻을 수 있는 이 기술을 이용하면 태양광, 풍력, 수력, 지열 등의 재생에너지를 활용해 물을 분해할 수 있다. 그 과정에서 전기화학적 고효율로 물을 수소와 산소로 전환하기 위해서는 높은 전기화학 활성과 장시간 반응 안정성을 지닌 전극의 구현이 필요하다.

아주대 연구팀은 니켈, 바나듐, 코발트 셀레나이드(Co(M)-NiSe₂–VSe₂)를 꽃 모양의 나노시트 구조로 결합한 획기적인 2차원 나노 소재를 개발했다. 연구팀은 이 소재가 하이브리드 슈퍼 커패시터 및 수전해 산소 발생 반응에서 동시에 탁월한 성능을 발휘함을 확인했다.

연구팀은 코발트를 사용한 전자 공여체 도핑 전략을 통해 만든 소재를 슈퍼 커패시터 소자에 적용, 기초 소재 수준에서 준수한 전력 밀도를 가짐을 확인했다. 또 38.73Whkg⁻¹의 고에너지 밀도로 기존 상용 소자 특성 대비 약 90% 이상의 성능 향상을 달성했다. 이 소재는 1만회의 충·방전 반복 사이클 후에도 정전 용량의 90% 이상을 유지해 탁월한 전기화학적 안정성을 보여줬다.

연구팀은 또한 수전해의 산소 생성 반응을 위해 양전극에 새로 개발한 소재를 적용, 물 분해 전극 소재로서 높은 성능을 가짐을 확인했다. 단위 제곱 센티미터 면적당 10mA 기준 전류 밀도에서 199mV의 과전위와 전류밀도 10배 상승당 28mV의 Tafel 기울기를 기록한 것. 과전위는 물을 분해하기 위해 필요한 잉여 전위값으로 과전위가 낮을수록 물 분해에 유리하다. 전류밀도의 Tafel 기울기는 전기화학 반응의 속도를 측정하는 값으로 낮을수록 반응이 빠르고 효율적임을 보여준다.

연구팀은 이러한 전기화학적 특성이 불순물 첨가 기술인 코발트 도핑의 시너지 효과 덕분임을 규명했고, 코발트 도핑은 물질의 전자 띠 구조를 변경하고 전하 전달을 위한 추가 활성 전자 구조를 제공해 소재의 전기화학적 활성을 크게 증가시킴을 밀도 함수 이론(DFT) 계산으로 확인했다.

연구 책임을 맡은 아주대 서형탁 교수는 "이번에 개발한 소재는 우수한 전기화학 및 촉매 성능을 가진데다 장기 반응 안정성 역시 높다"며 "높은 에너지·전력 밀도와 탁월한 반복 사이클 특성이 필요한 전기차 및 그리드 시스템의 차세대 에너지 저장 시스템에 적용될 수 있을 것"이라고 설명했다.

이어 "에너지 저장 외에도 수소 생산용 수전해 장치의 산소 발생 반응(OER)을 위한 전기화학 촉매 전극으로의 활용도 기대된다"고 했다.