2018-08-31
국내팀, 신개념 전기 저장장치 개발
고속충전이 가능한 대용량 배터리 기술이 발전하면서 각종 전기제품을 짧은 시간 충전해 장시간 쓸 수 있는 길이 열리고 있다. 사진은 이마트 강릉점에 문을 연 집합형 초고속 전기차 충전소. 동아일보DB
스마트폰을 쓰다 보면 항상 배터리가 문제다. 대용량 배터리를 넣으면 좋겠지만 무게도 무거워지고 충전 시간도 오래 걸리는 문제가 생긴다. 최신형 스마트폰이나 태블릿PC는 한 번 충전하면 7, 8시간 정도는 화면을 켜 놓을 수 있고 전기자동차도 한 번 충전하면 200∼300km는 주행이 가능하다. 이 이상 성능을 높이면 좋겠지만 현재의 배터리 기술로는 한계에 봉착했다.
이 때문에 최근엔 ‘빠른 충전’ 기술에 눈을 돌리는 경우가 많다. 최근 퀵차지(Quick Charge·QC)라 부르는 기술이 각광 받는 이유다. 충전 전압과 전류량을 높여 빠르게 충전하다가 최대 충전량의 80% 정도에 다다르면 자동으로 전류량을 조절해 천천히 충전한다. 신형 스마트폰은 1시간 정도로 70∼80%를 충전할 수 있다.
현재 기술로 이 이상 충전 성능을 높이려면 새로운 배터리 기술을 개발해야 한다. 먼저 기존의 배터리 기술을 한층 더 끌어올리는 연구가 이어지고 있다. 현재 주로 사용하는 ‘리튬이온 배터리’를 기반으로, 황을 섞어 넣어 효율을 높인 ‘리튬황’ 전지, 산소와 반응시켜 효율을 높이는 ‘리튬공기’ 전지 등이 주목받는다. 충전 용량은 최대 10배, 충전 속도는 2∼3배까지 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.
배터리 성능 개선 연구에서 한국인 과학자들의 성과가 눈부시다. 리튬황 전지의 최대 단점은 충전과 방전을 수십 회만 반복해도 성능이 급속도로 떨어지는 것인데 김희탁 KAIST 생명화학공학과 교수 팀이 내부 소자를 도넛 모양으로 만들어 이 문제를 해결할 수 있는 기술을 올 5월 개발했다. 충전을 600번까지 할 수 있어 현재 리튬이온 배터리와 큰 차이가 없다. 조경재 미국 댈러스 텍사스대 교수 연구팀도 4월 몰리브덴을 섞어 충전 횟수를 늘리는 방법을 개발했다. 2020∼2030년경 실용화될 것으로 보인다.
배터리보다 더 뛰어난 신개념 전기회로를 사용하려는 시도도 있다. 전기회로를 구성할 때 쓰는 콘덴서라는 부품이 기본이다. 이 부품은 전기를 모아 두었다가 방출하는 성질이 있어 카메라용 플래시 등에 자주 쓰인다. 이를 응용해 만든 ‘슈퍼커패시터’라는 장치는 일시적으로 정전이 됐을 때 전기를 공급하는 ‘무정전 전원장치’ 등에 쓰인다. 이런 슈퍼커패시터의 성능을 한층 끌어올려 일반 배터리처럼 사용하자는 것이다. 충전 속도와 저장 용량이 월등히 빠르고 많기 때문에 현 시점에선 궁극의 전기 저장장치로 부상할 가능성이 있다.
이 분야 연구에선 강정구 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀이 선도적이다. 강 교수 팀은 일반 리튬 배터리에 비해 100배 이상 충전 속도가 빠르고, 충전 용량도 수십 배로 높일 수 있는 신개념 ‘슈퍼커패시터’를 개발했다고 26일 밝혔다. 이론적으로 1분 이내에 스마트폰 한 대를 완전히 충전할 수 있으며 3만 번을 충전해도 성능이 유지된다. 연구진은 다공성 금속 산화물 나노입자 등을 이용해 이런 고효율 슈퍼커패시터를 만들었다. 전기자동차에 적용하면 몇 분 이내에 충전을 끝마칠 수 있을 것으로 보인다. 강 교수는 “고용량, 고출력 특성은 새로운 개념의 에너지 저장장치의 상용화에 기여할 것”이라고 말했다.
전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com
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리튬이온 대체할 고성능 슈퍼커패시터기술 개발
- 탄소나노튜브와 그래핀 입체구조로 에너지밀도·출력 극대화 -
□ 미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노구조물리연구단(단장 이영희)이 리튬이온전지와 비슷한 에너지밀도를 유지하면서 고출력을 낼 수 있는 슈퍼커패시터1)를 개발했다.
이로써 기존 전기자동차의 배터리(2차 전지)를 대체할 수 있는 전기 저장장치 상용화에 대한 기대감이 높아졌다.
o 슈퍼커패시터는 고성능 전기저장 장치 또는 대용량 축전지 등으로 불리며 전기자동차의 배터리를 보완하거나, 배터리를 대체해 사용할 수 있다. 일반 2차전지에 비해 에너지 밀도는 작지만 순간적인 고출력을 낼 수 있다는 게 장점이다. 이런 특성 때문에 2차전지의 성능을 보완하는 장치로 전기자동차 등에 설치한다. 시동과 급가속 등 순간적으로 고출력을 필요로 할 때 슈퍼커패시터를 활용한다.
o 나노구조물리연구단은 기존 기술의 한계를 극복하고, 출력 성능이 매우 높으면서, 에너지 밀도는 기존 리튬이온 배터리와 비슷한 슈퍼커패시터를 만드는데 성공했다. 리튬이온 전지를 대신하여 전기 자동차에 직접 장착해 사용할 수 있는 만큼 전기자동차 실용화에 한걸음 다가가게 할 중요한 연구사례라는 평가다.
o 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.
□ 연구단은 3차원 탄소나노튜브2)와 그래핀으로 이뤄진 독특한 빌딩모양의 슈퍼커패시터를 만들어, 지금까지 개발된 어떤 기술보다 높은 에너지 밀도를 가지면서도 높은 에너지 출력을 낼 수 있도록 했다.
o 연구진은 탄소나노튜브를 그래핀 사이에 수직으로 자기 배열하여 이온이 출입하도록 기공을 만들고, 최대한 넓은 표면이 이온을 흡착시키도록 3차원 구조를 설계했다. (그림설명 참조)
o 수용액 속에서 CTAB(양이온계면활성제, Cetyl trimethy lammonium bromide)라는 고분자를 탄소나노튜브에 흡착시키면 탄소나노튜브 표면이 플러스(+) 전기를 띠게 된다. 여기에 마이너스(-) 전기를 띠고 있는 산화흑연3)을 넣으면 자기조립에 의해 섞이게 되고 이때 탄소나노튜브는 흑연판 사이에 수직으로 정렬하여 3차원 탄소나노튜브/그래핀 빌딩구조를 만들게 된다.
o 이 구조는 이온의 이동이 용이하도록 이동경로를 제공할 뿐만 아니라 탄소나노튜브와 그래핀 판을 골고루 분산시킴으로써 표면적을 최대화시켜 이온을 흡착시켰다.
o 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 나노4)(ACS NANO, IF 12.033)에 2월 6일 온라인 게재되었다.
* (논문제목) 빠르고 밀도가 높은 탄소나노튜브/그래핀 3차원 빌딩구조 슈퍼커패시터
(Carbon nanotube-bridged graphene 3D building blocks for ultrafast compact supercapacitors)
* (제1저자) 듀이 토 팜(Duy Tho Pham) 나노구조물리연구단 박사과정생
* (교신저자) 이영희 IBS 나노구조물리연구단장(성균관대학교 에너지과학과, 물리학과 교수)
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