한국에너지공과대학교 연구진, 슈퍼 커패시터 전극 재료로의 전이 금속 질화물 재료 연구결과 발표

[에너지경제신문 박성준 기자] 한국에너지공과대학교 심욱 교수 연구팀(공동주저자; Shivraj Mahadik 박사과정생, Surendran Subramani 박사, 김준영 박사)은 전이 금속 질화물 기반 슈퍼 커패시터와 관련한 연구 성과를 최근 발표했다.

과학 기술이 빠르게 발달함에 따라 고성능이면서 작고 착용 가능한 전기 디바이스에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라 슈퍼 커패시터, 연료전지, 배터리 같은 고성능 에너지 저장 장치가 유망한 미래 에너지 저장 장치로 거론된다.

슈퍼 커패시터는 기존 커패시터와 배터리 사이의 간극을 메우는 에너지 저장 장치로 배터리와 연료전지에 비해 높은 전력 밀도, 빠른 충방전 및 길고 안정한 충방전 사이클 수명을 지닌 전기화학 커패시터로서 연구가 활발히 이루어지고 있으나 이를 포괄하는 동향에 대한 논의는 부족한 실정이다.

슈퍼 커패시터의 전극 재료로써 탄소계 물질, 금속 산화물, 고분자 등의 소재가 연구되는 가운데, 최근 전이 금속 질화물이 전자 구조, 전기 전도성, 화학적 안정성, 층상 구조로 인해 큰 관심을 받고 있다. 전이 금속 질화물은 안정성, 에너지 및 전력 밀도, 수명 면에서 유망한 특성을 나타낼 것으로 기대되는 고유의 층상 구조를 가질 뿐 아니라 전기 전도성도 우수하여 에너지 저장 측면에서 엄청난 잠재력을 제공하는 물질이다.

또한 전이 금속 질화물의 전자 구조는 화학적, 물리적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.

최적화된 특성과 원하는 기능을 구현하기 위해서는 이종원자 도핑, 이종 구조 형성, 여러 전이 금속을 질화물 구조에 통합하는 등 물질의 전자 구조를 변경하는 것이 필수적으로, 이러한 전략은 특정 응용 분야에 맞게 전이 금속 질화물의 전자 특성을 향상하고 맞춤화하는 것을 목표로 한다.

연구팀은 간단하고 효과적인 개선 방법을 도입함으로써 향후 슈퍼 커패시터 개발에 큰 영향을 미칠 것으로 예상하며 전이 금속 질화물 계열의 슈퍼 커패시터 연구들을 리뷰하고, 전이 금속 질화물의 도전 과제와 전망에 대한 방향성을 제시하였다.

본 연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’(피인용지수 14.511)에 표지 논문으로 게재되었다.