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수퍼캐패시터는 배터리가 몇 초 안에 전화 및 기타 장치를 충전할 수 있게 해준다. 그러나 현재 기술은 일반적으로 융통성이 없으며 용량이 충분하지 않으며 많은 경우 충전주기에 따라 성능이 급속히 저하된다. 영국의 연구원은 세 가지 문제를 모두 한 번에 해결할 수 있는 방법을 발견했다. 프로토타입 폴리머 전극은 일반적으로 크리스마스 트리에 매달려 있는 캔디 케인와 유사하게 이론적 한계에 가까운 에너지 저장을 달성하면서 충전/방전 사이클링에 대한 유연성과 탄력성을 보여주었다. 이 기법은 수퍼캐패시터 용 소재의 여러 유형에 적용될 수 있으며 휴대 전화, 스마트 의류 및 이식형 기기의 고속 충전을 가능하게 한다. 이 연구는 ACS Energy Letters에 발표되었다. 슈도용량 (Pseudocapacitance)은 고분자 및 복합 수퍼캐패시터의 특성으로 이온이 재료 내부로 들어가서 표면 가까이에 이른바 이중층에서 집중 이온으로 전하를 저장하는 탄소보다 훨씬 많은 전하를 쌓는다. 그러나 폴리머 수퍼캐패시터의 문제점은 이러한 화학 반응에 필요한 이온이 재료 표면 아래의 수 나노 미터 밖에 도달하지 못하고 나머지 전극이 사중 (dead weight)으로 남을 수 있다는 것이다. 나노 구조로 성장하는 고분자는 표면 근처에서 접근 가능한 물질의 양을 증가시키는 하나의 방법이지만, 비싸고 확장하기가 어려우며 종종 기계적 안정성이 떨어진다. 그러나 연구팀은 벌크 물질 내에서 나노 구조를 섞어서 복잡한 합성 방법을 사용하거나 물질 인성을 희생시키지 않고 기존의 나노 구조의 이점을 얻는 방법을 개발했다. 연구팀의 수퍼캐패시터는 매우 얇은 활성 물질 (전도성 고분자)이 항상 이온을 함유한 두 번째 폴리머와 접촉하기 때문에 매우 빠르게 많은 양을 저장할 수 있다. 캔디 케인은 항상 흰색 부분에 근접해 있다. 그러나 이것은 훨씬 작은 규모이다. 이 상호 침투 구조는 재료가 더 쉽게 구부러질 뿐만 아니라 균열없이 팽창과 수축을 가능하게 하여 수명을 길게 한다. 연구팀은 이전에 하나의 분자에 모든 기능을 맞추기 위해 시행 착오적 화학을 사용하지 않고 각 구성 요소가 자체 기능을 갖는 상호 침투 중합체 네트워크 (IPN)를 사용하여 다기능으로의 결합 경로를 개척했다. 이번에는 에너지 저장 장치, 특히 수퍼캐패시터에 이 방법을 적용했다. 이 상호 침투 기술은 재료의 표면적 또는 다른 폴리머 구성 요소 사이의 계면 영역을 보다 정확하게 증가시킨다. 상호 침투는 수퍼캐패시터의 두 가지 다른 주요 문제를 해결했다. 이 인터페이스는 재료에 발생할 수 있는 균열의 성장을 중지시키기 때문에 유연성과 인성을 제공한다. 또한 얇은 영역이 큰 응력을 발생시키지 않고 반복적으로 팽창 및 수축할 수 있으므로 전기 화학적으로 저항력이 강하고 많은 충전 사이클 동안 성능을 유지한다. 연구팀은 현재 더 나은 수퍼캐패시터를 위해 상호 침투 중합체 시스템에 적용될 수 있는 다양한 재료를 합리적으로 설계하고 평가하고 있다. 이러한 장치는 스마트 의류, 착용형 및 이식형 장치 및 소프트 로봇에 내장된 전자 장치를 구동할 수 있는 부드럽고 유연한 자립 필름으로 만들 수 있다. 연구팀은 새로운 사물인터넷 (IOT, Internet of Things) 장치에 유비쿼터스 전원을 제공하는데 기여할 수 있기를 희망하고 있다. |
