나노기술 및 정책 정보

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○ 가벼운 질량, 플렉시블 효율적 에너지 저장 재료는 일상생활 속에서 매우 중요한 역할을 발휘하고 있다. 슈퍼 커패시터는 높은 출력 밀도, 장 순환 수명 특징 때문에 응용 전망이 밝은 신형 에너지 저장 재료로 평가를 받고 있다.

○ 정렬된 메조 포러스 카본은 슈퍼 커패시터 분야의 핵심 재료로서 이론 에너지 저장 용량이 높고 구조가 순서적이고 안정성이 높은 강점을 보유하고 있기 때문에 에너지 저장 연구 분야 과학자들의 높은 관심을 받고 있는 상황이다.

○ 하지만 정렬된 메조 포러스 카본의 미시 구조 결함이 크고 전자 전도 비율이 낮기 때문에 잠재적인 전기 저장 능력을 발휘할 수 없는 문제점을 함유하고 있어 플렉시블 성능을 보유한 에너지 저장 장치에서의 응용 수요를 충족시키지 못하고 있는 상황이다.

○ 중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소 황푸창(黃富强), 즈젠(支鍵) 연구원 연구팀은 베이징(北京)대학 화학대 연구팀과 공동 연구를 실행하여 정렬된 메조 포러스 카본 재료의 전기 전도성을 뚜렷이 향상시킨 동시에 플렉시블 슈퍼 커패시터 분야에 응용하는데 성공하여 이슈가 되고 있다.

[중국] 나노기술을 이용한 슈퍼 커패시터 연구

○ 연구팀의 관련 연구 성과는 Advanced Functional Materials 학술지에 발표되었다(Volume 24, Issue 14, pages 2013–2019, April 9, 2014).

○ 연구팀은 우선 용매 휘발 자체 조립 방법(EISA)을 통해 정렬된 메조 포러스 카본 박막을 균일하게 3차원 그래핀 상에 코팅시킨 후 높은 전기 전도성 1차원 은 나노 와이어를 도입하여 3차원 나노 전기 전도 네트워크 구조를 보유한 1차원 은 나노 와이어/3차원 그래핀/정렬된 메조 포러스 카본 복합 재료를 개발하였다.

○ 이런 복합 구조 중에서 3차원 그래핀과 은 나노 와이어는 정렬된 메조 포러스 카본 성능을 향상시키는 면에서 동일하게 중요한 역할을 발휘한다.

○ 3차원 그래핀을 재료로 하여 높은 전기 전도성 및 기계 강도를 보유한 플렉시블 프레임 워크를 제공하고 은 나노 와이어는 표면의 전자 전송 루트를 한층 더 최적화 하여 극화 및 인터페이스 내부 저항을 감소시켰다.

○ 두 가지 유형 재료의 협동 역할은 정렬된 메조 포러스 카본 재료의 전기 화학 성능을 대폭 향상시켰는데 전기 전도율은 762 Scm-1 수준에 달한 것으로 나타났다.

○ 연구팀이 개발한 정렬된 메조 포러스 카본 재료를 플렉시블 장치 조립에 사용한 후 복합 전극 재료의 커패시턴스(Capacitance) 비교 량이 213 F g-1에 달하여 본질적인(Intrinsic) 메조 포러스 카본 재료의 5배에 달하는 것으로 나타났다.

○ 동시에 동 플렉시블 장치의 순환 안정성이 매우 이상적인 것으로 나타났는데 10,000회 순환한 후에도 90% 이상의 용량을 유지하는 것으로 나타났다.

○ 이런 방법은 기존의 그래핀이 정렬된 메조 포러스 카본 재료에 응용될 때 전기화학 성능을 뚜렷이 향상시키지 못하는 보틀넥 문제를 극복할 수 있게끔 하며 그래핀이 일반적으로 집중되는 현상을 발생시키는 문제점을 해결하고 그래핀-메조 포러스 카본 간의 비교적 높은 인터페이스 전기 저항을 감소시켰으며 1차원 은 나노 와이어가 정렬된 메조 포러스 카본 재료의 전기 전도성을 한층 더 향상시킬 수 있도록 하였다.

○ 이번 연구에서 개발된 3차원 플렉시블 전기 전도 네트워크 구조는 일종 보편적으로 적용되는 방법으로서 우수한 전기 전도 플렉시블성 슈퍼 커패시터 발전을 추진하는 면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다.