조진한 고려대학교 화공생명공학과/KU-KIST 융합대학원 교수와 고용민 대구경북과학기술원 박사 연구팀은 친수성 작용기로 표면 개질된 탄소 나노 올리고머를 사용한 계면 결합 기술을 활용해 나노입자 기반의 바인더-프리(binder-free) 직물형 슈퍼커패시터 전극을 개발했다.

이번 연구 결과는 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 학술지인 ‘Energy Storage Materials (IF = 20.4)’에 4월 12일 온라인 게재됐다.

슈퍼커패시터는 전극의 표면에서 빠르게 일어나는 반응을 기반으로 전하를 저장한다.

따라서 전극 물질을 비표면적이 높은 나노입자의 형태로 만들게 되면 활성 면적이 증가하고 전하 전달 효율을 향상할 수 있다.

이러한 나노입자의 장점을 효율적으로 활용하기 위해서는 전극 제작에 필요한 전도성 첨가제나 바인더(binder)와 같은 다른 보조 물질들과의 안정적인 결합을 통해 전극 내에서 균일하게 분포된 것이 중요하다.

하지만 전극을 만드는 보편적인 방법인 슬러리(slurry) 코팅법은 나노입자 기반의 전극에 적용하는 데 다음과 같은 한계점이 존재한다.
먼저 높은 에너지 밀도를 구현하기 위해서는 활물질 대비 다른 보조 물질의 비율을 최소화해야 한다.

하지만 나노입자는 비표면적이 높기 때문에 슬러리 제작에 필요한 보조 물질의 비율이 높아져야 할 뿐만 아니라 나노입자 표면에 존재하는 리간드(ligand)는 절연성 유기물로서 전극 내에서 저항으로 작용한다.

또한 물리적 혼합을 기반으로 하는 슬러리는 나노입자와 전도성 첨가제 간의 결합을 고려하지 않았기 때문에 전극 내 균일한 분포를 유도하기 어렵다.

전하 전달에 있어서 전극과 전해질 간의 젖음성 또한 고려해야 할 요소이다.