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 ~ 항속거리가 긴 전기자동차, 자연에너지 이용에 큰 기대 ~
독립행정법인 물질재료연구기구 첨단재료프로세스유닛의 1차원 나노재료그룹은 전기를 축적하는 역할을 하는 커패시터의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시키는 데 성공하였다. 즉, 시트형태의 나노물질인 그래핀(graphene)을 층상으로 쌓아올려 그 사이에 카본나노튜브를 집어 넣은 새로운 전극을 개발하는 데 성공하였다.
휘발류 자동차의 에너지 효율은 8.6%이지만, 전기자동차는 35%이다. 한편, 휘발류 자동차의 브레이크 에너지 등에 의한 에너지 손실은 5.8%에 달하고 있지만, 하이브리드 자동차에서 사용되는 배터리에서는 손실 에너지의 50% 이하 밖에 회수할 수 없다. 커패시터는 내구성이 좋고 충방전 수명이 10만회 이상이며, 니켈수소전지의 100배 이상이고, 출력밀도가 크기 때문에 충방전에 소요되는 시간이 아주 짧다. 때문에 정지 시의 손실 에너지의 90% 이상 회수할 수 있는 이점도 있다. 커패시터는 출력변동이 큰 전기자동차 및 재생에너지에 최적화된 축전 디바이스이지만, 에너지 밀도가 낮기 때문에 전기자동차에서는 항속거리가 짧아지는 단점이 있다.
(1) 카본나노튜브 스페이서(spacer)에 의한 그래핀 적층 구조화
그래파이트(graphite)에서 제작한 그래핀을 분산시킨 수용액에 카본나노튜브 분산 수용액을 첨가하였다. 그래핀과 카본나노튜브의 상호 친화력에 의해 그래핀 표면에 카본나노튜브가 접착된 복합구조가 얻어졌다. 여과하면, 카본나노튜브가 그래핀 사이의 스페이서가 되고, 그래핀 사이를 전기적, 기계적으로 결합시킨 층상의 그래핀 필름이 얻어졌다. 이 층상의 필름은 카본나노튜브를 스페이서로 하고 있기 때문에 한 장 한 장의 그래핀 표면에 전해액이 침투하여 다량의 전해액 이온을 흡착한다. 이것에 의해 그래핀의 표면적을 최대한으로 이용할 수 있어 에너지 밀도를 비약적으로 증대시킬 수 있다. 또한, 카본나노튜브는 그래핀 필름의 전기전도성을 높여 출력밀도를 증대시킨다. 이러한 구조의 그래핀 제작은 최초이다.
(2) 고에너지 밀도의 그래핀 적층 전극 캐퍼시터의 개발
그래핀 적층 필름을 고순도 티타늄의 집전극에 접합시킨 전극을 제작하여 전해액을 함침시켜 세퍼레이터를 끼운 2전극방식의 캐퍼시터를 제작하여 캐퍼시터 특성을 계측하였다. 그래핀 적층 전극은 수성전해액에서는 아정된 전압-전류 특성을 나타내고, 유기전해액에서는 전극재료의 에너지 밀도 62.8Wh/kg, 출력밀도 58.5 kW/kg으로 기존에 없었던 고성능의 캐퍼시터 특성이 나타났다. 전해액으로 이온 액체를 이용하면 에너지 밀도는 더욱 증대되어 155.6Wh/kg의 에너지 밀도가 얻어졌다. 이 값은 기존 캐퍼시터 특성치를 대폭적으로 상회하고 있다. 이것은 현재 사용되고 있는 니켈수소전지에 필적한다.
(3) 그래핀 적층 전극 캐퍼시터의 트레이닝 효과
캐퍼시터는 내구성이 뛰어나 10만회 충방전에 견디지만, 이번에 개발한 그래핀 적층 구조 전극은 반복적인 충방전에 의해 성능이 노화되지 않았으며, 역으로 성능이 조금씩 향상되었다. 이것은 반복적인 충방전에 의해 그래핀 적층 사이로 전해액 이온의 유입이 용이하게 되어 전해액의 유입출이 보다 고속, 다량으로 됨으로써 전해액 이온의 흡착량이 증가한 것으로 생각된다. 반복 사용에 의해 성능이 상승하는 캐퍼시터의 트레이닝 효과는 최초의 발견이다.
(그림 1) 전해액 이온(●)을 흡착하는 그래핀 시트
(그림 2) (왼쪽) 카본나노튜브가 스페이서로서 그래핀의 간격을 넓혀 전해액 이온을 유입시키고 그래핀을 전기적, 기계적으로 접합시킨다. (오른쪽) 그래핀 표면에 접착시킨 카본나노튜브의 투과형전자현미경 사진
(그림 3) (왼쪽) 카보나노튜브의 스페이서에 의해 전해액 이온이 그래핀 표면에 유입되어 흡착되기 쉽게 된다. (오른쪽) 전해액 이온의 흡착량은 반복 사용함으로써 다음에 증가하여 정전용량은 1,000회 반복한 것보다 20% 증가하였다.
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