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.

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.

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.

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.

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

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.

이 구조는 이온의 이동이 용이하도록 이동경로를 제공할 뿐만 아니라 탄소나노튜브와 그래핀 판을 골고루 분산시킴으로써 표면적을 최대화시켜 이온을 흡착시켰다.

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.

한편, 이번 연구결과는 미국화학회가 발간하는 나노과학 분야 국제학술지 에이씨에스 나노4)(ACS NANO, IF 12.033)에 2월 6일 온라인 게재됐다.