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Nikkei X-TECH_2024.7.4

도호쿠대학 등, 슈퍼 커패시터에 저가의 새 전극재 개발
용량 향상 가능성을 실증

도호쿠대학 등은 산화환원능이 있는 안료 분자를 활성탄에 ‘묻히기’만 하면 고속 충방전이 가능한 전기 이중층 커패시터(슈퍼 커패시터)의 전극 재료가 될 가능성을 실증했다. 환경 부하가 낮은, 저렴한 대용량 슈퍼 커패시터의 개발이 진행될 것 같다. 2024년 6월 25일에 발표했다.

지금까지 슈퍼 커패시터에서는 1g(그램) 당 정전 용량이 10~100F(패럿) 정도로 작아서 대용량 축전이 어려웠다. 반면에 탄소나노튜브(CNT) 등 나노탄소 재료를 사용해 표면적을 늘리려는 시도가 있지만 재료가 비쌌다.

이 외에 산화환원능이 있는 나노 입자를 활성탄에 혼합함으로써 고용량화하는 대응도 있다. 다만, 사용되고 있는 재료가 Ru(루테늄) 등의 중금속으로, 환경 부하가 높은 데다가 나노 입자를 제조하는 비용이 과제이다.

그래서 도호쿠대학 등의 연구 그룹은 환경 부하가 작고, 저렴하게 대용량화가 가능한 슈퍼 커패시터용 전극 재료를 제조하는 방법을 찾아냈다. 청색 안료의 일종인 철 아자프탈로시아닌(FeAzPc-4N)을 활성탄에 묻혀 분자 수준에서 흡착시킨다. 이를 통해 산화환원능을 활용함으로써 탄소만의 경우에 비해 용량을 2.6배, 활성탄 1g 당 907F까지 증가시키는 데 성공했다.

또한 활성탄 1g 당 20A(암페어)라는 고부하 영역에 있어도 2만회의 충방전 사이클이 가능하고, LED를 점등할 수 있는 것 등도 실증했다. 그리고 연구 그룹은 도호쿠대학 재료과학고등연구소(WPI-AIMR)의 야부히로 교수, 도호쿠대학발 스타트업 기업 AZUL Energy(센다이시), 2024년 4월 1일에 양자가 함께 설치한 공동 연구소로 이루어진다.

이번 연구로 산화환원능을 갖는 금속 착체 등의 분자를 활성탄에 흡착시키면 슈퍼 커패시터 용량을 향상 가능하다고 실증할 수 있었다. 앞으로 다양한 철 아자프탈로시아닌류나 다른 금속 착체 재료를 사용한 슈퍼 커패시터의 개발, LED도 포함한 새로운 디바이스에서의 활용을 전망할 수 있다고 한다.

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