Designing Metal Oxide Nanostructures and
Electrochemical Analysis for Pseudocapacitive Energy Storage
유사커패시터용 금속산화물 나노구조체 합성 및 전기화학적 분석

김형석
한국과학기술연구원 에너지저장연구단

전기화학을 이용한 에너지 저장 기술은 각종 휴대용 전자기기에서부터 전기자동차 및 에너지 저장 시스템 (ESS)에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있는 기술로서, 첨단기술 개발이 필수적으로 요구되는 분야이다. 전기화학적 에너지 저장 기술의 대표적인 두가지는 전기화학적 커패시터(Electrochemical Capacitors, ECs) 와 리튬이온 배터리이다. 기존의 커패시터는 출력이 높고 사이클 수명이 월등 하나 에너지 밀도가 매우 낮다. 이에 다공성 구조 및 나노사이즈의 카본 등 비표면적이 매우 높은 카본구조의 전기이중층을 이용한 전기화학적 커패시터는 기존의 커패시터에 비하여 에너지 밀도를 획기적으로 증가시킬 수 있었고, 이에 소위 슈퍼커패시터라고 불린다. 전기화학적 커패시터는 상대적으로 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있기는 하나 여전히 리튬이온 배터리의 에너지 밀도에는 미치치 못하고 있고, 리튬이온 배터리는 에너지 밀도는 높으나 출력이 낮고 사이클 수명도 개선이 필요하다는 단점이 있다. 이러한 상황에서 전이금속 산화물을 이용한 유사커패시터 (Pseudocapacitors)는 높은 에너지 밀도와 출력 밀도를 동시에 만족시킬 수 있는 새로운 차세대 에너지 저장 방식으로, 관련연구가 활발히 이루어져 왔다. 유사커패시터에서의 에너지 저장방식은 전기이중층을 이용하여 에너지를 저장하는 방식과는 달리, 표면 및 표면 근처에서의 산화환원 반응을 이용하여 에너지를 저장하며 대표적인 물질로는 금속산화물인 RuO2 및 MnO2 등을 들 수 있다. 최근에는 주로 전이금속 산화물의 나노 구조체에서 인터칼레이션을 통해서도 유사커패시터의 특성이 나타난다는 연구결과들이 발표가 되었다. 인터칼레이션을 통해 발현되는 유사커패시터의 전기화학적 특징은, 정전류 충방전법 (Galvanostatic charge-discharge)에서 보여지는 기울기가 있는 전압구배, 순환전압 주사법 (Cyclic voltammetry, CV)에서의 미러픽 등이 있으며, 리튬이온배터리의 전기화학적 특징과는 차이를 보인다. 본 연구에서는 다양한 형태의 전이금속산화물 나노구조체가 보이는 유사커패시터의 전기화학적 특성이 배터리와 어떻게 다른지를 여러 전기화학적 테크닉을 통하여 분석하였다.