탄소나노튜브와 그래핀을 이용한 초고용량 전기 저장장치(슈퍼커패시터)가 개발됐다. 전기차 상용화를 앞당길 수 있는 기술로 주목된다.
기초과학연구원(IBS·원장 김두철) 나노구조물리연구단(단장 이영희)은 높은 에너지 밀도를 가지면서도 고출력을 유지하는 슈퍼커패시터 개발에 성공했다고 12일 밝혔다.
슈퍼커패시터는 용량이 큰 전기 저장장치로 전기자동차나 수소연료자동차 등 신산업 분야 핵심기술로 꼽힌다. 전해질 이온이 전극 물질에 많이 흡착될수록 많은 전기를 흘려보낼 수 있어 이온 흡착 성능이 좋은 탄소나노튜브나 그래핀 등을 활용한 연구가 활발하다.
이번에 개발한 슈퍼커패시터는 3차원 탄소나노튜브와 그래핀으로 이뤄진 빌딩 모양이다. 연구팀은 탄소나노튜브를 그래핀 사이에 수직으로 배열해 이온이 출입하도록 기공을 만들고 최대한 넓은 표면이 이온을 흡착하도록 3차원 구조를 설계했다.
수용액 속에서 양이온계면활성제(CTAB)라는 고분자를 탄소나노튜브에 흡착시키면 탄소나노튜브 표면이 플러스 전기를 띠게 된다. 여기에 마이너스 전기를 띠는 산화흑연을 넣으면 자기조립에 의해 섞이고 이때 탄소나노튜브는 흑연판 사이에 수직으로 정렬해 3차원 탄소나노튜브·그래핀 빌딩구조를 만든다.
이 구조는 이온 이동이 용이하도록 이동경로를 제공할 뿐만 아니라 탄소나노튜브와 그래핀 판을 골고루 분산시킴으로써 표면적을 최대화해 이온을 흡착시켰다. 그 결과 부피당 최대 출력밀도와 최대 에너지 밀도 값을 얻었고 무게당 최대 출력밀도와 최대 에너지 밀도를 얻었다. 연구팀은 리튬이온전지 에너지 밀도에 버금가는 값으로 역대 최고 수준이라고 설명했다.
이영희 IBS 나노구조물리연구단장은 “슈퍼커패시터를 직접 전기자동차에 사용할 수 있는 계기를 마련한 연구”라며 “전기자동차 실용화에 한걸음 다가가게 한 중요한 사례이며, 현재 관련회사와 두께를 늘이는 실용화 기술 개발을 협의 중”이라고 말했다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
