슈퍼커패시터의 전극 성능을 획기적으로 높이는 새로운 공정이 개발됐다.
14일(현지시간) 중국 칭하이대학교 훙위 왕 교수 연구팀은 황화 온도를 정밀하게 제어해 슈퍼커패시터 전극의 에너지 저장 성능을 향상시키는 방법을 찾아냈다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '에너지 앤 인바이런먼트 넥서스'에 게재됐다.
연구팀은 니켈·코발트·철 수산화물(NiCoFe-OH) 소재의 황화 온도를 35도에서 115도까지 변화시키며 구조 변화를 관찰했다. 이 과정에서 소재는 비정질 수산화물에서 결정질 산화물을 거쳐 최종적으로 결정질 황화물로 변했다.
특히 95도에서 처리한 소재(NCF-S95)는 결정질 산화물과 황화물이 공존하는 이종접합 구조를 형성했다. 연구팀은 산화물이 구조적 안정성을, 황화물이 높은 전도성과 전기화학적 활성을 제공해 성능이 극대화됐다고 설명했다.
NCF-S95 전극은 2mA/cm² 전류 밀도에서 171.52mAh/g의 비용량을 기록했다. 이는 실험에 사용된 다른 전극 소재 중 가장 높은 수치다. 또한 1만 회의 충·방전 주기 후에도 초기 용량의 62.28%를 유지했다.
연구팀은 NCF-S95 전극과 활성탄을 결합해 비대칭 슈퍼커패시터 장치를 제작했다. 이 장치는 400W/kg의 출력 밀도에서 32.7Wh/kg의 에너지 밀도를 보였다. 7000회 작동 후에도 용량의 63.1%를 유지했으며, 장치 2개를 직렬로 연결해 LED 전구를 14분간 켜는 데 성공했다.
훙위 왕 교수는 "황화 공정 전반에서 일어나는 일을 이해함으로써 특히 유리한 산화물과 황화물 이종접합을 식별할 수 있었다"고 말했다. 연구팀은 이번 연구가 차세대 슈퍼커패시터 소재 설계를 위한 합리적인 방향을 제시한다고 덧붙였다.