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)