연구 개략도 및 윤태영 교수, 임송희, 염준빈 학부연구생.(사진=국립창원대 제공)

국립창원대학교는 기계공학부 윤태영 교수(공동교신저자) 연구팀이 연세대학교 연구진과의 공동연구를 통해 차세대 에너지 저장장치인 전고체 슈퍼캐패시터(All-Solid-State Supercapacitor)의 성능 향상 메커니즘을 규명하고, 그 성과를 국제저명학술지 ‘Small(IF: 12.1, JCR 상위 7.2%)’에 게재했다고 16일 밝혔다. 이번 연구에는 국립창원대 기계공학부 학부생 2명이 공동연구자로 참여해 그 의미를 더했다.

연세대 연구팀은 구리 폼 위에 1차원(1D) 코어-쉘 구조의 Cu₃P@NiCo₂O₄ 전극을 합성하고 슈퍼캐패시터 소자를 제작했으며, 국립창원대 연구팀은 전산역학·계산화학 기법을 활용해 전극 성능 향상의 근본적인 메커니즘을 분석했다. 특히 계면에서의 전자 재구성(interfacial electronic reconstruction)이 전자 전달과 OH⁻ 흡착을 촉진하고 활성 사이트를 증가시켜 전기화학적 반응성과 장기 안정성을 동시에 높인다는 사실을 원자 수준에서 규명했다.

실험 결과, 개발된 전극은 604.8 C g⁻¹(1 A g⁻¹)의 높은 정전용량을 보였으며, 2만 회 충·방전 이후에도 88.2%의 용량을 유지했다. 또한 제작된 전고체 슈퍼캐패시터 소자는 100.8 F g⁻¹(1 A g⁻¹)의 정전용량과 31.5 Wh kg⁻¹의 에너지 밀도를 달성했으며, 5천 회 사이클 후에도 97.6%의 안정성을 유지하는 등 우수한 내구성을 입증했다.

이 성능은 기존에 보고된 다수의 전극 시스템(Cu₃P/C-6%Ni//AC: 15.2 Wh kg⁻¹, Co₃O₄/NiCo₂O₄//AC: 22 Wh kg⁻¹, NiP/CoP@NF//AC@NF: 27.7 Wh kg⁻¹ 등)보다 뛰어난 수치로, 본 연구의 소자가 현재까지 보고된 최고 수준의 성능임을 보여준다.

본 연구에 공동연구자로 참여한 국립창원대 스마트제조융합전공 4학년 임송희 학생은 “교수님의 지도 덕분에 큰 성과를 경험할 수 있었고, 제가 직접 기여했다는 점이 자랑스럽다. 앞으로도 더 열심히 공부해서 연구에 보탬이 되고 싶다”고 했으며, 기계공학전공 4학년 염준빈 학생은 “학부생 신분으로 국제 학술지에 논문을 게재하게 돼 매우 영광스럽다. 전공인 전산 해석을 활용해 시뮬레이션 결과가 실제 실험과 일치하는 것을 확인하며, 이론과 실제를 잇는 융합 연구의 큰 보람을 느꼈다. 좋은 기회를 주신 교수님과 연구팀에 깊이 감사드린다”고 소감을 전했다.

국립창원대 윤태영 교수는 “이번 연구는 실험과 전산모사를 긴밀히 결합해 성능 향상의 원리를 체계적으로 밝힌 성과”라며 “특히 학부생들이 직접 참여해 국제적으로 권위 있는 학술지에 논문을 게재했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 강조했다.