심욱 교수 (수소에너지, 에너지공학부) 연구팀 (주저자; 박지현 공학석사)은 고에너지-고출력 밀도를 달성하는 나트륨 이온 하이브리드 커패시터의 음극재 개발에 성공하였다. 

리튬 이온 배터리는 휴대용 전자기기, 차량용 배터리 등의 수요가 증가함에 따라 그 가치가 높아지고 있다. 그러나 리튬 이온 배터리는 고용량, 고에너지 밀도를 나타내는 반면, 낮은 안정성 및 출력 밀도 등의 개선해야 할 문제점들이 있다. 이를 해결하는 방안 중 하나로 배터리 거동을 하는 음극과 커패시터 거동을 하는 양극을 조합한 리튬 이온 커패시터가 제안되고 있다. 이는 배터리가 가지는 고용량, 고에너지 밀도 뿐만 아니라, 커패시터의 높은 안정성과 출력 특성을 모두 가지는 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있으나, 이 역시 리튬 기반 산업으로 리튬의 희소성과 더불어 그 수요가 증가함에 따라 가격이 빠르게 치솟고 있다. 

본 연구에서는 높은 이론 용량을 보이는 니켈 전이금속 인화물(Ni2P)과 폴리아크릴로나이트릴 (PAN)을 전기방사하여 3차원 니켈 인화물@탄소나노섬유 구조체를 제작하고 나트륨 이온 하이브리드 커패시터의 음극재로 사용하였다. 3차원 니켈 인화물@탄소나노섬유 음극재는 니켈 인화물 음극재와 비교하여 높은 나트륨 이온 확산성을 제공하여 충방전 주기 안정성이 46%에서 80%로 향상되었다. 또한 리튬을 대체할 수 있는 차세대 물질인 나트륨 기반의 저장 장치에서 구동하는 니켈 기반의 하이브리드 커패시터 음극재로써 기존 리튬 음극재 대비 경제적이며, 136 Wh/kg 및 16.3 kW/kg의 높은 에너지와 출력 밀도를 구현하는 데 성공하였다. 

본 연구에서 개발된 3차원 니켈 인화물@탄소나노섬유 구조체 기반 하이브리드 커패시터 음극재는 기존 리튬 이온 배터리의 편의성과 우수한 에너지 특성을 구현함과 동시에 가장 큰 결점인 안정성 문제를 해결하였으며, 나트륨 이온 기반의 차세대 에너지 저장 장치에 대한 가능성을 제시함으로써 미래의 에너지 저장 장치 연구 및 산업에 큰 영향을 끼칠 것으로 기대한다.

이번 연구 결과는 2023년 4월 국제 학술지인 ‘Electrochimica Acta’ (피인용지수 7.336)에 게재되었다.

(참고)

□ "Boosting Ion Diffusion at Ni2P@3D Nanostructure Carbon Network Interface for Superior and Durable Sodium-Ion Hybrid Capacitor" (Electrochimica Acta 2023, 453, 142363) (https://doi.org/10.1016/j.electacta.2023.142363)