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신소재공학과

유승준 교수

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“전극 아닌 전해질 설계로 해법 찾았다”

GIST, 분자 크기 정밀 제어로

차세대 레독스 슈퍼커패시터 성능 대폭 향상

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신소재공학과 유승준 교수 연구팀, 전극 맞춤형 분자 설계로 고성능·장수명 에너지 

저장 기술 실현… 고비용 이온교환막 없이도 에너지 밀도·수명·자가방전 문제 동시에 해결

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차세대 에너지 저장 장치 가능성 열어… 국제학술지《Chemical Engineering Journal》게재

□ 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 신소재공학과 유승준 교수 연구

팀이 분자의 크기를 정밀하게 조절해 레독스 슈퍼커패시터(Redox EC)*

의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 

  ∘ 연구팀은 유기 레독스 분자의 크기를 옹스트롬(Å) 단위까지 정밀하게 

설계해 다공성 탄소* 전극과 효과적으로 반응하도록 최적화했다.

    * 레독스 슈퍼커패시터(Redox EC, Redox-Enhanced Electrochemical 

Capacitor): 전해질 속에 레독스 활성물질(산화-환원 반응을 할 수 있는 물질)을 

넣어 이 물질들이 전자를 주고받으며 추가적인 에너지 저장을 할 수 있도록 한 

장치이다.

    * 다공성 탄소: 표면에 수많은 미세한 구멍이 뚫려 있는 탄소 소재로, 표면적이 

매우 넓고 전기 전도성도 뛰어나다. 전기 에너지를 저장하거나 화학 반응을 촉

진하는 데 유리해 배터리, 슈퍼커패시터, 흡착제, 촉매 지지체 등 다양한 분야에

서 활용된다. 

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□ 이를 통해 연구팀은 에너지 밀도가 높고, 자가방전이 적으며, 긴 수명

까지 갖춘 고성능 수계(水系) 레독스 슈퍼커패시터를 개발하는 데 성공

했다.

□ 기존 슈퍼커패시터는 빠른 충전 속도와 긴 수명이라는 장점이 있지만, 

에너지 밀도가 낮아 저장 용량에 한계가 있었다. 이러한 단점을 보완

한 레독스 슈퍼커패시터는 전해질에 녹아 있는 레독스 활성물질이 전

자를 주고받으며 추가적인 에너지를 저장할 수 있도록 설계된 차세대 

기술이다.

  ∘ 그러나 활성물질이 전해질 내에서 자유롭게 확산되면서 자가방전이 

발생하고, 고가의 이온교환막에 의존해야 하는 문제로 인해 상용화에 

어려움이 있었다.

□ 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 활성물질* 분자의 크기를 다공

성 탄소 전극의 미세한 기공 구조에 맞춰 정밀하게 설계함으로써, 별도

의 이온교환막 없이도 고성능을 구현할 수 있는 새로운 해법을 제시했

다.

   * 활성 물질(Active material): 충·방전 과정에서 전기에너지를 저장하거나 내보내는 

핵심 물질

□ 이 기술의 핵심은 전극과 전해질이 맞닿는 ‘계면’에서 일어나는 반

응에 있다. 기존에는 전극의 기공 크기를 바꾸는 방식으로 계면 반응을 

조절했지만, 이 방법은 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 한계가 

있었다.

  ∘ 이에 연구팀은 전극 구조를 바꾸기보다, 전해질 내 분자 크기를 조절

해 계면 상호작용을 정밀하게 설계하는 방식으로 전환함으로써 제조

의 효율성과 성능을 동시에 확보하는 데 성공했다.

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□ 연구팀은 전기화학적 특성이 우수한 ‘바이올로젠(viologen)’* 유도체

를 다양한 형태로 합성한 뒤, 이를 전극 구조에 정확히 맞도록 조정했

다.

  ∘ 실험 결과, 1.4V 기준 82.3Wh/kg(킬로그램당 와트시 에너지 밀도)의 

높은 에너지 밀도를 달성했으며, 10,000번의 충·방전 후에도 초기 성

능의 95% 이상을 유지하는 뛰어난 내구성을 확인했다. 충전 후 6시간

이 지난 시점에서도 에너지의 88.4%가 남아 있어 자가방전이 거의 없

는 것으로 나타났다.

  ∘ 또한 전해질이 전극 내부 깊숙한 부분까지 효과적으로 침투할 수 있

도록, ‘진공/질소 압력 순환 침지법’이라는 새로운 주입 기술도 개

발했다. 이를 통해 활성물질의 흡착량이 2배 이상 늘었고, 전극 계면

에서의 반응 효율도 극대화됐다.

    * 바이올로젠(viologen): 기본적으로 보라색(비올렛)을 띠며, 독특한 전기화학적 특

성을 가진 유기 화합물이다. 바이올로젠의 기본 구조에 다양한 화학 작용기

(Functional group)를 결합하여 변형한 바이올로젠 유도체를 통해, 전기화학적 특

성, 용해도, 분자 크기 등을 자유롭게 조절할 수 있다.

□ 유승준 교수는 “분자 크기를 옹스트롬 단위로 정밀하게 조절해 전극

의 미세기공 구조와 완벽하게 맞물리는 최적의 전해질-전극 조합을 구

현했다”며 “이번 연구는 레독스 슈퍼커패시터의 성능을 좌우하는 핵

심 원리를 새롭게 규명한 성과”라고 설명했다.

  ∘ 그는 또 “고성능 에너지 저장 장치를 설계하는 데 새로운 방향을 제

시한 것으로, 향후 다양한 분야에 응용 가능성이 높다”고 덧붙였다.

□ GIST 유승준 교수(교신저자)가 이끌고 조영훈 박사과정생이 수행한 이

번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받았다. 연구 결

과는 국제학술지 《케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering 

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Journal)》에 2025년 4월 19일 온라인 게재됐다.  <끝>

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사 진 설 명

[사진] (왼쪽부터) GIST 신소재공학과 조영훈 박사과정생, 유승준 교수 

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그 림 설 명

[그림1] a) 바이올로젠의 치환기 변화에 따른 셀 성능 변화 모식도, b) 1-3 nm 

크기의 기공 내에서 BV의 흡착 및 확산 경향, c) 0.8 nm 이하의 미세기공

에서 BV와 기공 간 매칭을 통한 자가방전 억제 메커니즘. 레독스 분자의 

크기에 따라 셀 성능이 달라짐을 나타냄. 사용된 전극에서 BV가 가장 높은 

구조적 호환성을 보여 최적의 용량, 속도, 자가방전 억제 및 장기 안정성을 

나타냄.

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[그림2] a) MSC30의 기공 부피 분포, b) 바이올로젠의 반지름 및 분자 부피 

(DFT 계산), c) 바이올로젠 종류별 비대칭형 셀* 용량 비교, d) 바이올로젠 

종류별 자가방전 억제 성능 비교. 비대칭 셀을 통해 바이올로젠 크기에 따

른 성능 변화 관찰 가능. 미세기공이 주로 발달된 MSC30 전극에서 분자 크

기에 따라 성능 차이가 뚜렷하게 나타났으며, 유기 분자 구조 조절을 통한 

계면 제어의 중요성을 확인함.

    * 비대칭형 셀(Asymmetric cell) : 한쪽 전극에서의 레독스 반응만을 선택적으로 

관찰하고 비교하기 위해, 반대쪽 전극의 질량을 현저히 증가시켜 해당 전극에서

는 레독스 반응이 일어나지 않도록 설계된 셀이다. 본 연구에서는 양극과 음극

의 무게비를 12:1로 설정하여, 양극액으로 사용된 브로마이드의 레독스 반응을 

효과적으로 억제하고, 음극액으로 사용된 바이올로젠 종류에 따른 전기화학적 

성능을 정량적으로 분석했다.

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[그림3] a) MSC30 (검정색)과 Cnovel10 (빨간색) 간 기공 크기 분포 비교, b) 바

이올로젠 종류별 비대칭형 셀의 정전 용량 비교, c) 바이올로젠 종류별 비

대칭형 셀의 자가방전율 비교, d) EV+·, e) BV+·, f) NV+·가 Cnovel10의 기

공 내에서 보이는 흡착 및 확산 거동 모식도. 기공 크기가 커지면 바이올

로젠 분자 크기에 따른 성능 차이 경향이 없어지고 자가방전 억제 효과가 

저하됨을 확인함.

 

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[그림4] a) 바이올로젠 종류별 대칭셀 자가방전 억제 성능 비교, b) 수계 기반 

레독스 슈퍼커패시터 에너지 및 출력 밀도 비교, c) 바이올로젠 종류별 대

칭셀 장사이클 성능 비교. 가장 매칭이 잘된 BV 사용 시 가장 뛰어난 자가

방전 억제 및 장사이클 안정성을 확인하였으며, 기존 수계 레독스 슈퍼커

패시터 대비 우수한 성능을 나타냄을 확인.

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논문의 주요 내용

1. 논문명, 저자정보

 - 저널명 : Chemical Engineering Journal (IF = 13.4 ; 2023년 기준)

 - 논문명 : Molecular Engineering of Redox Electrolytes for Size-Matched 

Interfacial Coupling with Microporous Carbon in Redox-Enhanced 

Electrochemical Capacitors

 - 저자 정보 : 조영훈 박사과정생 (제1저자, GIST 신소재공학과), 변진환 

(공동저자, GIST 화학과), 이건우 석사과정생 (공동저자, GIST 

신소재공학과), 엄태평 박사과정생 (공동저자, GIST 

신소재공학과), Xiulei Ji (공동교신저자, 오리건 주립대학교 

화학과) 유승준 (대표교신저자, GIST 신소재공학과)