[굿모닝충청 최재근 기자] 전기차를 이용해 장거리 여행을 하려면 에너지밀도가 높은 전지가 필요하다. 현재 상용화된 리튬이온전지는 에너지밀도가 낮아 장거리 여행이 어렵고 출력이 낮아 가파른 언덕에서는 사용하기가 힘들다. 따라서 출력이 높으면서도 에너지 밀도가 높은 대량/고성능 전기저장장치(슈퍼커패시터)를 만드는 것이 이 분야 연구의 최대 목표이다. 또 어려운 문제는 부피당 에너지 혹은 출력이 증가하면 무게 당 에너지 혹은 출력이 감소하는 것이다.
국내 연구진이 이러한 한계를 극복한 슈퍼커패시터를 개발했다. 탄소나노튜브와 그래핀 입체 구조로 리튬이온전지와 비슷한 에너지밀도를 유지하면서도 출력을 극대화 한 것이 특징이다. 리튬이온 전지를 대신해 전기 자동차에 직접 장착해 사용할 수 있는 만큼 전기자동차 실용화에 한걸음 다가가게 할 중요한 연구사례로 평가받고 있다.
주인공은 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노구조물리연구단(단장 이영희). 연구단은 3차원 탄소나노튜브와 그래핀으로 이뤄진 독특한 빌딩모양의 슈퍼커패시터를 만들어, 지금까지 개발된 어떤 기술보다 높은 에너지 밀도를 가지면서도 높은 에너지 출력을 낼 수 있도록 했다.
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 탄소나노튜브 표면이 플러스(+) 전기를 띠게 된다. 여기에 마이너스(-) 전기를 띠고 있는 산화흑연을 넣으면 자기조립에 의해 섞이게 되고 이때 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. 그 결과 연구진은 부피당 최대 출력밀도와 최대 에너지밀도 값을 얻었고, 무게 당 최대 출력밀도와 최대 에너지 밀도를 얻었다.
실제 만들어진 3차원 탄소나노튜브/그래핀 건물구조는 아직도 높은 무게밀도(1.06 g/cm3)를 갖고 있어 부피당 최대 출력밀도 424 kW/L에서 최대 에너지밀도 117.2 Wh/L 혹은 무게 당 최대 출력밀도 400 kW/kg에서 최대 에너지밀도 110.6 Wh/kg을 갖는다. 이러한 무게 당 에너지밀도는 상용화되고 있는 리튬이온전지 에너지밀도와 버금가는 것으로 기존의 어떤 슈퍼커패시터보다 높은 값을 기록하고 있다.
이영희 IBS 나노구조물리연구단장은 “슈퍼커패시터를 직접 전기자동차에 사용할 수 있는 계기를 마련해준 연구”라며 “다만 슈퍼커패시터 전극의 두께를 지금보다 굵게 만들어야 장시간 사용할 수 있기 때문에 관련 기업과 함께 성능을 떨어뜨리지 않으면서, 전극을 두껍게 하는 기술 개발을 협의 중”이라고 말했다.
이번 연구결과는 지난 6일자 미국화학회가 발간하는 나노과학 분야 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS NANO, IF 12.033) 온라인에 게재됐다.
용어설명
▲슈퍼 커패시터(super capacitor) = 슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 에너지 저장장치로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 초고용량 커패시터라고도 부른다. 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 전해질 이온이 전극 물질에 많이 흡착될수록 많은 전기를 흘려보낼 수 있기 때문에 높은 비표면적을 지니는 탄소 전극 소재의 활용을 위한 연구가 이어져 왔다.
▲탄소나노튜브(carbon nanotube) = 탄소나노튜브는 육각형 탄소원자가 직경이 수나노미터이고 길이가 수십마이크로 혹은 수백마이크로미터가 되는 튜브형태를 이룬 구조이며 반도체 성질과 금속 성질이 섞여있다. 역학적인 강도가 다이아몬드와 비슷하다.
▲산화흑연(graphene oxide) = 탄소로 구성된 육각형 벌집구조가 그래핀이고, 그래핀 표면위에 산소를 붙인 구조를 산화흑연이라 부른다. 이때 붙은 산소는 마이너스 전기를 띠고 있다.
▲에이씨에스 나노(ACS NANO)誌 = 과학기술분야의 세계적인 권위를 갖는 저널이며 피인용지수 (Impact Factor)는 12.033(2013)이다.
▲비표면적 = 입방체(㎥ 혹은 g)에서 다른 물질과 접촉할 수 있는 면적(㎡)을 말한다.
일문일답
어디에 쓸 수 있나
전기자동차에 직접 장착하거나 대형 전기저장창치로 쓸 수 있다.
실용화까지 필요한 시간은
앞으로 커패시터 관련회사와 공동으로 실용화 연구를 진행시킬 계획이다.
실용화를 위한 과제라면
소자의 두께가 현재는 최대 20 마이크로미터정도이나 실용화를 위해서는 100 마이크로미터 정도를 높여야 하며 이때 저장특성을 유지할 수 있어야 한다.
연구를 시작한 계기는
에너지 저장 연구는 현재 15년 이상을 진행시켜오고 있다.
에피소드가 있다면
대량 생산용 3차원 탄소나노튜브/그래핀 빌딩구조를 설계하는 작업이 몇 년 이상 소요되어 힘들었다.
꼭 이루고 싶은 목표는
전기자동차의 꿈을 실현하고 싶다.
신진연구자를 위한 한마디
No gut, no return!
