중국, 이산화망간 금속산화물 에너지저장 재료 연구

 

수퍼커패시터(supercapacitor)는 축전기와 전지사이의 에너지저장 부품이다. 수퍼

커패시터는 축전기의 빠른 충/방전 특징과 전기화학 전지의 에너지저장 메커니즘 특

징을 가지고 있다. 커패시터앞에 수퍼란 단어를 붙인것은 축전기 에너지밀도와 출력

밀도는 높기때문이다. 일반적인 축전기와 2차전지에 비해 수퍼커패시터는 전하 저

장 능력이 강하고 충/방전 속도가 빠르고 효율이 높고 환경에 대한 오염이 없고 순

환 수명이 길고 사용 온도 범위가 큰 특징을 가지고 있다. 

 

이러한 특징은 수퍼커패시터와 수소동력 자동차, 혼합동력 자동차, 전기동력 자동차

와의 발전과 밀접한 관련이 있다. 사회경제의 가속 발전으로 자원과 에너지가 갈수

록 결핍하고 생태환경이 갈수록 악화되어 태양에너지, 풍력에너지 또는 연료전지 

등 청결 재생가능한 새로운 에너지 개발에 박차를 가하고 있다. 신세기 중점 발전 대

상인 신형 에너지 저장 부품인 수퍼커패시터는 많은 국가와 기업들의 연구 제작하

는 대상이 되었다. 미국, 일본 등 국가는 선진적인 연구 개발과 기술 경험으로 수퍼

커패시터 연구, 산업화 영역에서 세계 앞자리를 차지하고 있다. 

 

중국의 일부 과학연구기관과 회사에서도 적극적으로 수퍼커패시터에 대한 연구를 

진행하여 일정한 기술 수준과 산업화 능력을 구비하였다. 하지만 수퍼커패시터의 핵

심 부분인 고성능 전극재료 연구 개발에서 어려움에 직면하였다. 전극재료는 수퍼커

패시터의 중요한 조성부분이고 수퍼커패시터 성능과 생산 원가비용과 관계되는 관

건적인 핵심 요소이다. 이런 문제를 해결하기 위하여 수퍼커패시터는 "국가 중장기 

과학기술 발전 계획 요강(2005-2020년)"에 포함되어 국가장기발전의 에너지 영역 중

의 중요한 최신 기술에 속하였다. 

 

탄소재료는 수퍼커패시터 연구에서 광범위하게 응용되고 있는 전극재료이고 활성

탄, 활성탄섬유, 탄소나노튜브와 그라핀 등이 포함된다. 하지만 활성탄 재료는 쉽게 

산화되어 탄소 수퍼커패시터의 내부저항을 크게하고 활성탄재료의 전기전도성이 낮

다. 

 

이런 상황에서 중국과학원 전공연구소 Ma Yanwei 연구팀은 탄소재료에서 금속산

화물에 연구 방향을 돌렸다. 연구팀이 우선 연구한 대상은 산화루테늄이다. 산화루

테늄은 귀금속 산화물로 전기전도성이 좋고 전해액에서 매우 안정적이어서 현재 성

능이 가장 좋은 수퍼커패시터 전극재료이고 미국에서는 이미 우주항공, 군사 등 중

요 영역에 응용되었다. 하지만 루테늄 자원이 제한적이고 가격이 비싸 응용 전망이 

작다. 

 

산화루테늄의 여러 가지 문제로 Ma Yanwei 연구팀은 이산화망간 재료를 연구 대상

으로 하였다. 이산화망간 재료는 가격이 저렴하고 또한 이산화망간 수퍼커패시터는 

중성 전해질용액(Na2SO4, KCl 수용액)을 이용하고 다른 금속산화물 또는 탄소 수

퍼커패시터에서 사용되는 강산강염기 전해질을 사용하지 않아 사용이 안전하고 용

이하다. 

 

Ma Yanwei 연구팀은 이산화망간 속이 빈 구모양 마이크로재료를 제조하는 일반적

인 기술을 기초로하여 촉매가 없는 조건에서 높은 원자가이온(Fe3+、Al3+)을 첨가

하여 이산화망간 재료의 구조 제어를 실현하였다. 이는 수퍼커패시터 신형 나노 에

너지 저장 재료의 제조에 간단하고 효과적인 방법을 제공하였고 중국 특허를 신청하

였다. 

 

이산화망간은 반도체재료에 속하고 전기전도성이 낮고 귀금속 산화물과 비해 이산

화망간 재료의 전기저장량이 낮다. 이외 망간의 산화물 구조는 안정적이지 못하고 

이는 충/방전 순환과정에서 더욱 뚜렷하다. 때문에 효과적으로 이산화망간 전극 재

료에서 존재하는 문제를 해결하는 것은 Ma Yanwei 연구팀이 해결해야 될 과제이

다.

 

 

http://www.nsfc.gov.cn/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-08