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KIST Talk/사내학생기자

[전북분원] 친환경 에너지저장 장치 개발의 핵심 소재! 탄소 기반 나노복합소재(장우리 기자)

  소비자와 공급자가 실시간으로 정보를 공유하는 스마트한 환경에 없어서는 안될 것이 있다. 소위 배터리라고도 하는 에너지 저장장치(Energy Storage System ,ESS)가 바로 그것이다. 에너지 저장장치는 여러 가지가 있는데 예를 들면 아래와 같다.

 

PHS(Pumped Hydro Storage)

SMES (Super conducting Magnetic Energy Storage)

리튬이온전지 (Lithium-ion battery)

나트륨황전지 (NaS)

레독스흐름전지 (RFB)

슈퍼커패시터 (Super Capacitor)

플라이휠 (Flywheel)

압축공기저장시스템 (Compressed Air Energy Storage)

 

그림 1 에너지 국내기술 전망

 

  이러한 에너지 저장장치는 최근 탄소소재를 활용한 어플리케이션 개발이 한창이다. 국내의 에너지저장 기술은 미흡한 수준이다. 현재 에너지저장기술 중에서는 리튬이온전지와 슈퍼 커패시터만 수출되고 있으며,  다른 기술은 아직 개발 단계로 수출에는 이르지 못하고 있는 실정이다. 특히 슈퍼 커패시터의 경우 리튬이온전지에 비해 비싼 가격 때문에 시장의 성장이 둔화되고 있는 것은 사실이다. 이러한 여건에도 불구하고 국내 연구소, 대학에서는 자동차, 전자기기, 항공기 등 특정 어플리케이션 목적형으로 시장발굴과 비용절감을 위한 기술개발에 주력하여 전지시장의 발전을 위한 속력을 높이고 있다.

그림 2 기본적인 캐패시터의 반응 원리

 

  여러 에너지 저장장치 중에서 슈퍼커패시터는 위 그림과 같이 활성탄(porous electrode) 표면에 전하의 물리적 흡·탈착으로 에너지를 충전 또는 방전하는 원리로 순간적으로 많은 에너지를 저장 후 높은 전류를 순간적 혹은 연속적으로 공급하는 고출력 동력원을 말한다. 슈퍼커패시터 특징은 표면적이 큰 활성탄을 사용하고 유전체*의 거리를 짧게 하여 소형으로 F 단위*의 매우 큰 정전 용량을 얻을 수 있다. 또한 과충전과 과방전을 지속해도 일반 배터리와 같이 수명에 영향을 주는 일이 없을 뿐만 아니라, 친환경적이다. 전자 부품이라 소위 납땜으로 붙일 수 있어 2차 전지와 같이 단락이나 접속 불안정이 일어나지 않는다. 기본적으로 2차 전지는 전기 화학 반응을 이용하는데 비해 슈퍼커패시터는 전하 자체를 물리적으로 축전하는 방법을 이용하고 있어 충·방전 시간의 조절이 가능하고, 수명이 길며, 에너지 밀도가 높다.
* 유전체 : 전기의 절연체를 전기장 내에 놓았을 때 표면에 전하(電荷)가 유기되는현상이 있는데, 이러한 관점에서

               절연체를 다룰 때 이것을 유전체라 하고, 표면에 나타나는 전하를 편극전하(偏極電荷)라 함
* F 단위 : 축전기가 전하를 저장할 수 있는 능력을 나타내는 물리량

 

  슈퍼커패시터의 기본구조는 양극과 음극으로 구성되는 다공성 전극(Electrode), 전해질(Electrolyte), 집전체(Current collector), 분리막 또는 격리막(Separator)으로 이루어져 있는데 현재까지 상용화된 슈퍼커패시터는 활성탄소 (Activated  Carbon)를 주된 전극소재로 사용하고 있다. 그러나 이 활성 탄소는 가격이 비싸 많은 연구진들은 활성탄소를 대체할 수 있는  활성탄을 포함한 금속산화물, 전도성고분자 등의 신규 전극재료와 비대칭 전극을 사용하는 하이브리드 기술의 개발 등 새로운 디자인 소재개발을 진행 중에 있다. 최근 들어서는 전극 소재뿐만 아니라 전해

질, 분리막 개발에 관련된 연구도 점점 늘어나는 추세이다.

 

  이러한 추세에 발맞춰 전북분원에서도 탄소소재를 활용한 친환경적이고 저렴한 전극소재, 특히, 배터리와 슈퍼캐패시터와 같은 에너지 저장장치 관련 연구가 진행되고 있다. 예를 들면 그래핀과 탄소나노튜브, 금속산화물 등을 이용한 나노복합소재가 있다.

 

  한편 전라북도는 탄소소재산업 특구지역을 선정하여 현대자동차, 효성, OCI, LS 엠트론, 비나텍 등 많은 기업들과 다양한 탄소 관련 사업들을 진행하고 있다. 이러한 기업들과 KIST 전북분원 간의 활발한 연구 교류를 통해 탄소 소재를 이용한 친환경 에너지 저장 장치가 개발되어 국내는 물론이고 세계 수출에서도 핵심 산업에 한걸음 더 다가가기를 기대해본다. 아직은 가능성만을 보여주는 실험실 수준의 연구결과들이 대부분이지만 머지않아 산업화를 위한 대량공정이 가능한 기술들이 개발될 것이다.

그림 3 최근 발표된 대량공정이 가능한 기술개발 사례(고문주 박사 탄소복합소재의 친환경 고효율 재활용 기술)