전기차 핵심 '고성능 슈퍼커패시터' 개발

IBS, 빌딩모양 탄소나노튜브·그래핀 입체구조 설계
높은 에너지 밀도와 출력…"전기차 상용화 한걸음"

전기차를 이용해 장거리 여행을 하려면 에너지밀도가 높은 전지가 필요하다. 그러나 현재 상용화된 리튬이온전지는 에너지밀도가 낮아 장거리 여행이 어렵고 출력이 낮아 언덕이 가파른 곳에서는 사용하기 힘들다.

이에 국내 연구진이 전기자동차와 대형 전기저장창치 등에 사용할 수 있는 고출력 슈퍼커패시터를 개발했다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 IBS(기초과학연구원·원장 김두철) 나노구조물리연구단이 3차원 탄소나노튜브와 그래핀으로 이뤄진 빌딩모양의 슈퍼커패시터를 통해 높은 에너지밀도와 출력을 유지할 수 있는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

슈퍼커패시터는 용량이 큰 전기 저장장치를 일컫는 말이다. 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.

3차원 탄소나노튜브·그래핀 빌딩구조.<사진=미래부>

연구진은 탄소나노튜브를 그래핀 사이에 수직으로 자기 배열해 이온이 출입하도록 기공을 만들고, 최대한 넓은 표면이 이온을 흡착시키도록 3차원 구조를 설계했다.

연구진에 다르면 이러한 3차원 구조는 이온을 저장할 때 이온이 이동하는 경로를 제공해주고 동시에 탄소나노튜브와 그래핀의 넓은 표면적을 이용해 전하를 흡착시켜 전하저장을 최대화시켜주는 역할을 제공해주고 있다.

만들어진 3차원 탄소나노튜브·그래핀 건물구조는 높은 무게밀도(1.06 g/cm3)를 갖고 있어 부피당 최대 출력밀도 424 kW/L에서 최대 에너지밀도 117.2 Wh/L 혹은 무게당 최대 출력밀도 400 kW/kg에서 최대 에너지밀도 110.6 Wh/kg을 갖는 것으로 확인댔됐다.

연구진은 "이러한 무게당 에너지밀도는 상용화되고 있는 리튬이온전지 에너지밀도와 버금가는 것으로 기존의 어떤 슈퍼커패시터보다 높은 값을 기록하고 있다"고 설명했다.

이영희 단장.<사진=미래부>
이번 연구결과는 미국화학회가 발간하는 나노과학 분야 국제학술지 에이씨에스 나노에 지난 6일 온라인에 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 말했다.

 
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