고성능 슈퍼커패시터(대량 전기 저장장치) 개발
[산업일보 홍보영 기자]
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전기차를 이용해 장거리 여행을 하려면 에너지밀도가 높은 전지가 필요하다. 현재 상용화된 리튬이온전지는 에너지밀도가 낮아 장거리 여행이 어렵고 출력이 낮아 언덕이 가파른 곳에서는 사용하기 힘들다. 따라서 출력이 높으면서도 에너지 밀도가 높은 슈퍼커패시터를 만드는 것이 이 분야 연구의 최대 목표이다. 또 어려운 문제는 부피당 에너지 혹은 출력이 증가하면 무게당 에너지 혹은 출력이 감소하는 것이다. 이에따른 연구도 한창인 가운데 국내연구진이 대량전기저장장치를 개발했다. |
미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노구조물리연구단(단장 이영희)이 높은 에너지밀도를 갖고있으면서도 고출력을 유지할 수 있는 슈퍼커패시터를 개발하는데 성공했다.
슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 용량이 큰 전기 저장장치를 일컫는 말로 전기자동차나 수소연료자동차 등 신산업 분야의 핵심기술로 꼽힌다.
슈퍼커패시터는 이온의 이동이나 표면화학반응을 이용하기 때문에 전해질 이온이 전극 물질에 많이 흡착될수록 많은 전기를 흘려보낼 수 있어서 높은 비표면적을 지니는 탄소 전극 소재의 활용을 위한 연구가 이어져 왔다.
이번에 개발한 3차원 탄소나노튜브와 그래핀으로 이뤄진 빌딩모양의 슈퍼커패시터는 지금까지 개발된 어떤 기술보다 높은 에너지 밀도를 가지면서도 높은 에너지 출력을 유지할 수 있어 기대를 모으고 있다.
연구진은 탄소나노튜브를 그래핀 사이에 수직으로 자기 배열해 이온이 출입하도록 기공을 만들고, 최대한 넓은 표면이 이온을 흡착시키도록 3차원 구조를 설계했다.
수용액 속에서 CTAB(양이온계면활성제, Cetyl trimethy lammonium bromide)라는 고분자를 탄소나노튜브에 흡착시키면 탄소나노튜브표면이 플러스(+) 전기를 띠게 된다. 여기에 마이너스(-) 전기를 띠고 있는 산화흑연을 넣으면 자기조립에 의해 섞이게 되고 이 때 탄소나노튜브는 흑연판 사이에 수직으로 정렬해 3차원 탄소나노튜브/그래핀 빌딩구조를 만들게 된다.
이 구조는 이온의 이동이 용이하도록 이동경로를 제공할 뿐만 아니라 탄소나노튜브와 그래핀 판을 골고루 분산시킴으로써 표면적을 최대화시켜 이온을 흡착시켰다.
이 결과 부피당 최대 출력밀도와 최대 에너지밀도 값을 얻었고 무게당 최대 출력밀도와 최대 에너지 밀도를 얻었다. 이는 리튬이온전지 에너지밀도에 버금가는 값으로 이제까지 보고된 어떤 값보다 크다.
이번 연구결과는 미국화학회가 발간하는 나노과학 분야 국제학술지 에이씨에스 나노5)(ACS NANO, IF 12.033) 온라인판에 게재됐다.
이영희 IBS 나노구조물리연구단장은 “이번 연구는 슈퍼커패시터를 직접 전기자동차에 사용할 수 있는 계기를 마련해준 연구”라며 “전기자동차의 실용화에 한걸음 다가가게 한 중요한 사례이며 현재 관련회사와 두께를 늘이는 실용화 기술 개발을 협의 중”이라고 전했다.
홍보영 기자 papersong@kidd.co.kr
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