기계공학부 서종환 교수 연구팀이 고성능 전극 재료를 위한 대나무 활용 친환경 소재를 설계하고, 이의 합성 공정을 단축시키는데 성공하였다.

다양한 에너지 저장/변환 장치 가운데 슈퍼커패시터(supercapacitors, SCs)는 높은 전력 밀도, 긴 수명, 빠른 충·방전 속도, 낮은 유지 비용, 환경 친화성 등으로 인해 현재 많은 주목을 받고 있다. SCs는 배터리와 함께 많은 에너지 저장 및 변환 시스템에서 중요한 역할을 한다. 재생 가능한 자원으로부터 고성능 전극 재료를 설계하고 간단한 합성 전략을 사용하는 것은 지속 가능한 경제, 사회, 환경의 장기적 발전에 매우 큰 관심을 받고 있는 주제이다.

본 연구에서는 공기 중에서 직접 대나무 유래 계층적 다공성 탄소(BHPC)를 환경 친화적이고, 한 번의 과정으로 확장 가능한 염-주형 전략을 사용하여 ZnCl₂/KCl 염 혼합물을 다공성 유도 용매로 사용하였다.

얻어진 BHPC 재료는 넓은 비표면적(1,296 m² g⁻¹)과 큰 총 기공 부피(1.26 cm³ g⁻¹)를 가진 3차원 상호 연결된 다공성 네트워크를 나타낸다. 3전극 시스템에서 평가된 전기화학적 성능은 1 A g⁻¹에서 394 F g⁻¹의 높은 비정전용량을 나타내며, 20 A g⁻¹에서 76.14%의 정전용량 유지율로 좋은 속도 용량을 보여준다. 또한, 준비된 대칭형 슈퍼커패시터는 126 W kg⁻¹의 분말 밀도에서 11 Wh kg⁻¹의 높은 에너지 밀도를 제공하며, 10,000 사이클 동안 81%의 정전용량 유지율을 가진 뛰어난 수명을 나타낸다. 이러한 결과는 기존 상용 활성 탄소 및 다른 바이오매스 탄소 기반 대칭형 SC보다 우수한 성능을 보여준다.

저렴하고 재생 가능한 탄소 원료로부터 고부가가치 전극 재료를 준비하는 개념은 미래의 아연 이온 하이브리드 커패시터, 금속-공기 배터리 및 리튬-황 배터리와 같은 광범위한 에너지 변환 및 저장 응용을 위한 다공성 탄소 재료 연구분야에 새로운 기회와 가능성을 제공할 것으로 기대된다.

대상논문: Nguyen, Tan Binh, et al. "A facile salt-templating synthesis route of bamboo-derived hierarchical porous carbon for supercapacitor applications."Carbon206 (2023): 383-391.

[그림] (a) 대나무에서 얻은 계층적 다공성 탄소(BHPC)의 제조, (b, c, d) BHPC의 구조적 특성 분석, 및 (e, f, g) BHPC 전극 소재를 기반으로 한

대칭형 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능.