햇빛으로 충전! 국내 최초 태양광 자가 충전 슈퍼커패시터 개발

햇빛으로 충전! 국내 최초 태양광 자가 충전 슈퍼커패시터 개발

(2024-12-19)

 

- DGIST-경북대학교 공동연구팀, 슈퍼커패시터와 태양전지 결합으로 에너지 저장 효율 63%, 전체 효율 5.17% 달성
- 연구 결과는 에너지 저장 및 변환 기술 분야의 세계적 학술지 ‘Energy’에 게재

[왼쪽부터 DGIST 나노기술연구부 김정민 선임연구원, 경북대학교 RLRC 이다민 연구원]

 

햇빛으로 충전! 국내 최초 태양광 자가 충전 슈퍼커패시터 개발

 

- DGIST-경북대학교 공동연구팀, 슈퍼커패시터와 태양전지 결합으로 에너지 저장 효율 63%, 전체 효율 5.17% 달성
- 연구 결과는 에너지 저장 및 변환 기술 분야의 세계적 학술지 ‘Energy’에 게재

 

DGIST(총장 이건우) 나노기술연구부 김정민 선임연구원이 경북대학교(총장 허영우) RLRC 이다민 연구원과 공동연구를 통해 태양광 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 고성능 자가 충전 에너지 저장 장치를 개발했다. 

 

연구팀은 전이금속 기반 전극 소재를 활용해 기존 슈퍼커패시터 디바이스의 성능을 획기적으로 개선하고, 태양전지와 결합한 새로운 방식의 에너지 저장 기술을 제시했다.

 

연구팀은 니켈 기반 탄산염/수산화물 복합 소재를 사용해 전극을 설계했으며, 망간(Mn), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 아

연(Zn) 등 전이금속 이온을 추가하여 전극의 전도성과 안정성을 극대화했다. 이 기술은 에너지 밀도, 출력 밀도, 충‧방전 안정성 면에서 에너지 저장 장치의 성능을 대폭 향상하는 성과를 보였다.

 

특히, 본 연구에서 확인된 에너지 밀도는 35.5 Wh kg⁻¹로, 기존 연구 결과(5~20 Wh kg⁻¹)와 비교해 단위 무게당 저장할 수 있는 에너지 양이 현저히 높았다. 출력 밀도는 2555.6 W kg⁻¹로, 기존 연구치(~1000 W kg⁻¹)를 크게 상회하며, 단시간에 더 높은 전력을 방출할 수 있어 고출력 기기에서도 즉각적인 에너지 공급이 가능함을 입증했다. 또한, 반복적인 충‧방전 과정에서도 성능 저하가 거의 발생하지 않아 장치의 장기적 사용 가능성을 확인했다.

 

나아가 연구팀은 실리콘 태양전지와 슈퍼커패시터를 결합한 에너지 저장 장치를 개발해 태양광 에너지를 저장하고 실시간으로 활용할 수 있는 시스템을 구현했다. 이 시스템은 63%의 에너지 저장 효율과 5.17%의 전체 효율을 기록하며, 자가 충전 에너지 저장 장치의 상용화 가능성을 실질적으로 입증했다.

DGIST 나노기술연구부 김정민 선임연구원은 “이번 연구는 국내 최초로 슈퍼커패시터와 태양전지를 결합한 자가 충전 에너지 저장 장치를 개발하며, 전이금속 기반 복합 소재를 활용해 에너지 저장 장치의 한계를 극복하고 지속 가능한 에너지 솔루션을 제시한 중요한 성과”라고 말했다. 경북대학교 RLRC 이다민 연구원은 “자가 충전 장치의 효율을 더욱 높이고 상용화 가능성을 강화하기 위한 후속 연구를 지속적으로 이어가겠다”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 DGIST 기관고유사업, 우수신진연구사업, 경북대학교 탄소중립 지능형 에너지시스템 지역혁신 선도연구센터의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 저장 및 변환 기술 분야의 세계적 학술지 Energy (JCR 상위 3.2%)에 12월 게재됐다.

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연구결과개요

Design of high-performance binary carbonate/hydroxide Ni-based supercapacitors for photo-storage systems
Damin Lee, Nilanka M. Keppetipola, Dong Hwan Kim, Jong Wook Roh, Ludmila Cojocaru, Thierry Toupance, Jeongmin Kim*
(Energy, on-line published on December 30th, 2024)

 

이번 연구에서는 실리콘 태양전지를 활용하여 변환된 태양광 에너지를 저장하기 위한 슈퍼커패시터를 설계하였다. 전극의 표면적을 극대화하기 위해 3차원 구조의 니켈 폼(Ni foam) 기판을 사용하였으며, 전기화학적 성능을 향상시키기 위해 니켈 기반 화합물을 증착하였다. 특히, 단일 니켈(Ni) 이온만 사용 시 발생하는 전도도 저하 문제를 해결하기 위해 Mn, Co, Cu, Fe, Zn 등의 전이금속 이온을 도입하여 이원 금속 화합물을 전극 소재로 개발하였다. 이러한 이원 금속 화합물은 우수한 전도성, 구조적 안정성 및 가역 용량을 제공하여 슈퍼커패시터의 성능을 최적화하였다.

그 결과, 최적화된 NiCo(CO3)(OH)2 전극은 높은 용량과 뛰어난 사이클 안정성을 보여주었으며, 비대칭 슈퍼커패시터 장치로서 에너지 밀도 35.5 Wh kg−1, 출력 밀도 2555.6 W kg−1을 달성하였다. 또한, 이 장치를 실리콘 태양전지와 결합한 결과, 10 mW cm−2의 광조도 하에서 63%의 저장 효율과 5.17%의 전체 효율을 나타냈다. 본 연구는 고성능 자가 충전 에너지 저장 장치의 상용화 가능성을 제시하며, 에너지 저장 기술의 발전에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가
본 연구는 슈퍼커패시터와 태양전지를 직접 결합하여 자가 충전이 가능한 혁신적인 디바이스를 개발했다. 이 연구는 탄소 배출을 줄이면서도 효율적인 에너지 저장 솔루션을 제공할 수 있다는 점에서 미래 지향적인 연구라고 할 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나
이 연구 결과는 모바일 디바이스와 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 예를 들어, 자가 충전 슈퍼커패시터는 향후 옷, 시계, 모자 등 다양한 웨어러블 디바이스에 통합될 수 있다. 이러한 디바이스들은 햇빛 아래에서 실시간으로 충전되며, 사용자들이 지속적으로 에너지를 공급받을 수 있는 혁신적인 기술로 발전할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는
자가 충전 시스템의 기본 원리를 제시하고 63%의 에너지 저장 효율과 5.17%의 전체 효율을 달성하며 성능 최적화에서 중요한 진전을 이룬 만큼, 실용화까지 예상보다 짧은 시간이 소요될 것으로 보인다. 내구성 강화, 효율성 향상, 다양한 환경에서의 안정성 확보 등 해결해야 할 과제가 남아 있지만, 5년 이내에 상용화가 가능할 것으로 예상된다.

Q. 연구를 시작한 계기는
프랑스 보르도대학교와의 국제 공동 연구를 진행하면서 자가 충전 가능한 에너지 저장 장치 개발 아이디어를 얻었고, 슈퍼커패시터의 고속 충방전 특성과 긴 사이클 안정성을 활용하면 태양광 에너지 저장에서 높은 효율성을 기대할 수 있다는 점에 주목했다. 이를 바탕으로 새로운 형태의 에너지 저장 솔루션을 제시하고자 했다.

Q. 어떤 의미가 있는가
탄소중립이 중요한 화두로 떠오른 현재, 지속 가능한 에너지 시스템 개발은 필수적이다. 자가 충전 기능을 갖춘 에너지 저장 장치는 신재생 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 가능성을 제시하며, 친환경적이며 지속 가능한 미래를 위한 중요한 연구 성과라고 할 수 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는
최종적인 연구 목표는 우리가 개발한 기술이 상용화되어 다양한 전자기기와 웨어러블 디바이스에서 실제로 활용되고, 사람들이 일상생활에서 태양광 에너지를 효과적으로 이용하며 자가 충전 시스템을 통해 지속 가능한 에너지 소비를 실현하는 시대가 오는 것이다.

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그림설명

[그림 1] 단일 금속 화합물과 이원 금속 화합물의 구조 및, 상대적으로 더 안정적인 성능을 보이는 이원 금속 화합물이 양극재로 사용된 디바이스 모식도

(그림설명)
전이금속 기반의 이원 금속 화합물은 서로 다른 금속 이온이 결합해 안정적인 결정 구조를 형성하며, 화학적 및 전기화학적 환경 변화에도 안정적인 성능을 보여 전극 소재로 우수하다. 또한, 이원 금속 화합물은 금속 이온의 전기화학적 특성이 결합되어 더 넓은 작동 범위를 가지며, 충방전 과정에서 손상을 줄여 전극의 성능을 향상한다.

[그림 2] 자가 충전 디바이스의 측정 장면 및 전기화학 성능 결과

(그림설명)
(a) 슈퍼커패시터 디바이스와 실리콘 태양전지를 직접 연결해 제작한 자가 충전 디바이스 시스템의 구조와 측정 과정을 보여주는 사진이다.
(b) 실리콘 태양전지의 J-V 곡선은 태양광(10 mW cm-2) 하에서 측정된 역방향(Rev) 및 정방향(Fwd) 스캔 결과를 보여준다.
(c) 자가 충전 디바이스의 충방전 곡선은 태양광(10 mW cm-2) 하에서 충전되고, 어두운 상태에서는 방전되는 과정을 나타낸다.

[ DGIST 캠퍼스 전경. 사진=DGIST 제공]

 

 

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