현재 이차전지는 시베리아와 같은 추운 지방이나 영하의 한파 속에서는 성능이 떨어지거나 급격하게 방전되는 치명적인 한계가 있다.

이에 극저온에서도 전자장치에 전력을 공급할 수 있는 에너지저장 소자의 개발이 매우 시급하게 요구되고 있다.

정현영 교수 연구팀은 물-에틸렌글리콜 혼합전해질을 사용하여 영하 40℃에서 영상 60℃까지 에너지를 공급할 수 있는 슈퍼커패시터를 개발했으며, 이는 기존 리튬-이온 배터리의 작동 온도 범위인 0~45℃와 비교하여 2배 넓은 온도 범위를 커버한다.

또한 연구팀의 고농도 혼합전해질 기술은 기존 수계전해질의 한계였던 ~1V의 전압범위를 2.5V까지 크게 확장시킬 수 있었으며, 소자 안전성은 100℃ 온도범위와 2.5V 고전위에서 실험 및 시뮬레이션을 통해 검증했다.

특히 기존 슈퍼커패시터들은 공정이 복잡하고 세라믹 소재를 사용하여 플렉시블하게 제조하는 것이 어려웠는데, 연구팀은 폴리아마이드 고분자에 레이저 스크리빙을 통해 카본을 증착시킨 후 바나듐 산화물을 전기 증착시키는 방식으로 플렉시블 커패시터 전극을 제작했다.

레이저 스크리빙 방식은 공정의 속도와 효율성을 크게 향상시켜 공정의 간소화를 가능하게 했다.

또한, 폴리아마이드 고분자의 플렉시블한 특성은 기존 커패시터가 가진 물리적 한계점을 극복할 수 있어 고출력 웨어러블 장비에 적용할 수 있는 장점이 있다.

개발된 플렉시블 슈퍼커패시터는 고전류(10A/g)와 -40℃의 저온 환경에서도 2600사이클 이상의 높은 수명 특성을 보여 기존 배터리의 한계를 크게 뛰어넘는 결과를 보여주었다.

이 연구는 극한의 온도 범위에서 전력을 필요로 하는 항공, 우주 및 위성 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구는 ‘Brain pool(해외우수과학자) 유치사업’을 통해 수행했으며, 연구 결과는 저명한 국제학술지 《스몰(small)》(IF=13.0) 최신호에 출판됐다.

해외우수과학자 사업은 해외 우수과학자를 초빙하여 우수 연구성과를 창출하도록 지원하는 정부의 연구개발(R＆D) 사업이다.