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연구성과

  • 2019-03-05
  • 조회수 3596
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최근 신재생에너지 관련 수요의 증가에 따라 전기에너지 저장장치의 개발이 중요해지고 있으며 이와 관련된 산업이 급성장하고 있다. 1990년대 중반부터 본격적으로 상용화되기 시작한 슈퍼 커패시터(super-capacitor)는 리튬-이온 배터리에 비해 출력 밀도가 높고 충·방전 속도가 빠르며 수명이 긴 장점을 가지고 있어 순간적인 고출력 에너지가 필요한 전자장치에서 활용되고 있다.

슈퍼 커패시터의 성능은 구동 전압에 크게 의존하기 때문에 넓은 전압 범위에서도 화학적으로 안정한 이온성 액체를 슈퍼 커패시터의 전해질로 활용하는 시도가 계속되고 있다. 그러나 전하를 띈 이온들로만 구성된 이온성 액체는 유기 전해질에 비해 전하밀도가 매우 높기 때문에 일반적인 슈퍼커패시터와는 다른 거동을 보인다.

서울대학교 화학부 정연준 교수 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션 방법 중 하나인 분자동역학 방법을 활용하여 그래핀 전극과 이온성 액체 전해질로 구성된 슈퍼 커패시터의 충·방전 현상의 물리화학적 원리를 분자 수준에서 규명하였다.

연구팀은 이온성 액체 슈퍼커패시터의 경우 기존에 알려진 바와 달리 충·방전 과정 중 반대전하 이온(counter-ion)들의 흡착보다는 공전하 이온(co-ion)들의 탈착이 매우 중요하다는 점을 밝혔으며 이를 “비움 효과(vacating effect)”라고 명명하였다.

또한 이온성 액체의 경우 전극 표면에 존재하는 이온뿐만 아니라 시스템 전체 이온들의 집합적인 움직임을 통해 매우 빠른 속도로 충·방전이 일어날 수 있다는 점을 이론적으로 밝혔다.

본 연구는 전기장 변화에 따른 이온성 액체슈퍼커패시터의 거동에 대한 분자 수준의 이해를 진일보시킨 결과이며, 향후 이온성 액체를 활용한 슈퍼커패시터 및 다양한 전기장치의 성능 향상에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구는 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 세계적인 학술지 PCCP (Physical Chemistry Chemical Physics)에 2019년 1월 24일 온라인 출판되었으며, 논문의 우수성과 독창성을 인정받아 PCCP 3월호 전면 표지 논문(front-cover article)으로 선정되었다.(PCCP 2019년 제 13호, 3월 27일 출판)

본 연구는 삼성미래기술육성재단에서 시행하는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행되었다.

출판 논문 : Understanding the charging dynamics of an ionic liquid electric double layer capacitor via molecular dynamics simulations, ChanwoNoh and YounJoon Jung, Phys. Chem. Chem. Phys. 2019 DOI: 10.1039/c8cp07200k (2019년 1월 24일 온라인 출판, 2019년 3월 27일 저널 표지 출판 예정)

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