부산대, 슈퍼커패시터 음극 소재 개발…에너지 저장 기술 혁신

연구팀 "전기차 배터리 화재·긴 충전 시간 해결할 대안"

부산대학교 연구진이 에너지 저장 기술 혁신을 가져올 새로운 음극 소재를 개발했다.

부산대학교는 재료공학부 이정우 교수 연구팀이 높은 에너지 밀도를 갖는 슈퍼커패시터 음극 소재 개발에 성공했다고 23일 밝혔다.

슈퍼커패시터(super capacitor)란 전기 에너지를 저장하는 장치를 말한다.

재생에너지 필요성이 증가함에 따라 기존 시스템의 단점을 보완하고 안정성과 효율을 높일 수 있는 에너지 저장 기술이 요구되고 있다.

현재 널리 활용되는 에너지 저장 장치 중 하나인 배터리는 순간적인 큰 출력을 내지 못해 재생에너지의 실질적 문제를 해결할 수 없고, 짧은 수명 탓에 자주 교체해야 하므로 유지 보수에도 큰 비용이 든다.

반면 슈퍼커패시터는 이러한 배터리 한계를 뛰어넘는다.

고출력 및 고속 충·방전 능력과 긴 수명 특성이 있어 더욱 효율적인 재생에너지 부하평준화(전력 소모가 적은 시간대에 부하를 증가시켜 부하 변동량을 고르게 하는 방법) 장치로 매우 유망하다.

그러나 슈퍼커패시터도 전극 표면에만 전하를 저장하기 때문에 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.

이를 극복하기 위해 표면적을 넓히거나 전도성을 향상하는 등 여러 연구가 진행되고 있다.

이번 연구는 현실적인 활용을 위해 경제적인 재료를 사용하면서도 넓은 비표면적(specific surface area, 단위 질량당 표면적)과 높은 전기전도성을 모두 갖는 우수한 특성의 슈퍼커패시터 전극 소재를 개발하고자 하는 필요성에서 비롯됐다.

부산대 교수팀은 전기전도도가 우수하고 표면적이 매우 넓어 슈퍼커패시터 측면에서 이상적인 2차원 소재인 그래핀을 활용해 산화철과의 하이브리드 구조를 만들어 이 문제를 해결했다.

연구진이 개발한 소재는 산화된 그래핀 격자를 구성하는 탄소(C) 원자를 이종 원소인 질소(N) 원자로 일부 대체해 격자를 왜곡시킴으로써 넓은 표면적을 갖도록 했다.

연구진이 합성한 전극 소재를 활용해 제작된 비대칭 슈퍼커패시터(asymmetric supercapacitor, 양극과 음극에 서로 다른 소재를 사용한 슈퍼커패시터)는 우수한 에너지 및 출력 밀도와 내구성을 나타냈으며, 실제 LED 기반 발광소자에도 성공적으로 적용될 수 있음을 보였다.

최종 구현된 슈퍼커패시터는 전기자동차 배터리로 인한 화재나 긴 충전 시간 등의 문제를 해결할 수 있는 대안이 될 것으로 기대된다.

또 전기자동차 및 트램과 같은 미래 운송수단부터 군사용 드론 등의 극한 환경 응용 분야까지 차세대 에너지 저장 소재로의 적용, 지구상의 풍부한 자원을 활용한 에너지 저장 분야에의 활용 가능성 등도 전망된다.

이정우 부산대 교수는 "이번 연구는 철을 기반으로 한 소재가 슈퍼커패시터 및 에너지 저장 분야에서 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다"며 "환경친화적이고 경제적인 에너지 공급을 위한 노력의 하나로 재생에너지가 갖는 문제에 솔루션을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 차세대 에너지 저장 시스템의 효율성을 높이는 데도 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

해당 연구는 화학공학 분야 국제 저명학술지인 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal) 15일 자에 게재됐다.

/연합뉴스