언젠가는 에너지를 저장하는 방식에 영향을 줄 수 있는, 전하에 의해 유발되는 흑연 탄소 전극의 결합과 구조의 변화에 대한 사실이 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 연구팀에 의해 밝혀졌다.
본 연구는 소비자, 산업 및 녹색기술에서 크게 증가하고 있는 수요에 충족하기 위해, 전지 및 초고용량 커패시터(supercapacitor)와 같은 전기 에너지를 저장하는 시스템의 용량 및 효율을 향상시키는데 기여할 것으로 기대된다.
미래에는 지금보다 에너지 저장용량이 훨씬 크고 충전/방전 사이클이 빠르며 내구성이 개선된 에너지 저장 시스템을 필요로 한다. 이런 분야에서의 발전을 위해서는 원자 단위에서부터 마이크로 미터 크기까지 에너지 저장 과정에 대한 더욱 철저한 이해를 필요로 한다. 이런 복잡한 과정은 시스템이 충전되고 방전될 때 상당한 변화를 보이기 때문에, 과학자들은 작동하고 있는 에너지 저장 시스템의 내부를 관찰하기 위한 연구에 더욱 박차를 가하여 왔다. 비록 컴퓨터를 이용한 방법이 지난 수 십 년 동안 발전을 도왔지만, 실험적 방법에 의한 접근법은 매우 도전적인 과제로 특히 에너지 저장 재료에서 널리 사용되는 가벼운 원소에 대한 연구에서 더욱 그러한 실정이다.
로렌스 리버모어 국립연구소 연구팀이 개발한 새로운 엑스레이 흡수 분광법(X-ray adsorption spectroscopy capability)은, 그래핀 기반 초고용량 커패시터 전극의 구조 및 결합이 충전과정 동안 전극-전해질 계면의 분극화(polarization)에 의해 어떻게 영향을 받는지에 대한 중요한 정보를 제공해 준다.
그래핀 기반 초고용량 커패시터는 계면현상을 연구하기 위한 이상적인 모델 시스템인데, 이 커패시터는 상대적으로 화학적으로 안정적이며 실험적 및 이론적으로 광범위하게 연구되었으며 기술적으로도 흥미로운 재료이기 때문이다. 연구팀은 최근 개발된 3D 나노그래핀(nanographene) 벌크 전극 재료를 모델 재료로 사용하였다.
본 연구에서 개발된 엑스레이 흡수 분광법은 그래핀 기반 초고용량 커패시터 전극이 작동하는 동안, 복잡한 전기장에 기반한 전자 상태의 변화를 감지할 수 있도록 해 준다. 이런 변화에 대한 분석을 통해 충전과 방전 과정 동안에 발생하는 전극에서의 결합 및 구조에 대한 정보를 제공받을 수 있게 되었다고 본 연구의 교신저자인 Jonathan Lee는 밝혔다. 본 연구는 Advanced Materials ("Potential-Induced Electronic Structure Changes in Supercapacitor Electrodes Observed by In Operando Soft X-Ray Spectroscopy")지에 3월 4일자로 게재되어 있다. 충전된 전극-전해질 계면 연구를 위한 독특한 모델링 통합능력은, 본 연구의 실험적 자료들을 해석하는데 핵심적인 역할을 하였다고 연구팀은 밝혔다.
그래핀 기반 초고용량 커패시터 전극의 전자상태가 전하에 의한 전극-전해질 계면에 의해 바뀔 수 있다는 것을 발견한 본 연구는, 더 효율적인 전기화학적 에너지 저장 시스템을 개발하기 위한 새로운 기회를 제공해 주고 있다. 게다가, 본 연구에서 개발된 실험 및 모델링 기술은 다른 에너지 저장 재료 및 기술에 즉시 적용이 가능하다.
그림> 그래핀 기반의 에어로졸 초고용량 커패시터의 기능에 대한 물리화학적 반응은, 소프트 엑스레이 분광기에 의해 실시간으로 관찰되고 해석되었다. 전극에서 인가된 전압에 대해 예상치 못한 전자상태의 변화가 관찰되었으며, 이는 독립적인 의사용량성(pseudocapacitive) 및 전기이중층 전하저장 채널(electric double layer charge storage channels)을 통한 다양한 길이에 대한 구조적 변화가 발생했다는 것을 의미한다.
출처: Lawrence Livermore National Laboratory
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-03-09
