슈퍼커패시터 충전용량 높인다…그래핀 제조 기술 개발

2019.12.19 12:52
김명종 KIST 책임연구원. KIST 제공.
김명종 KIST 책임연구원. KIST 제공.

전기전도성이 뛰어난 ‘그래핀’을 축전기 원리로 전기에너지를 저장하는 ‘슈퍼커패시터’ 충전용량을 높이는 데 활용할 수 있는 가능성이 제시됐다. 

 

한국과학기술연구원(KIST)은 김명종 기능성복합소재연구센터 책임연구원과 김남동 선임연구원 연구팀이 전기용접에 쓰이는 ‘아크방전’ 기술을 이용해 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 19일 밝혔다. 

 

축전지의 성능을 강화한 슈퍼커패시터는 급속 충전이 가능하고 순간적으로 고출력 전기를 낼 수 있어 전력 수요를 관리하는 ‘스마트그리드’나 재생에너지 발전 시스템에 주로 활용된다. 그러나 충전용량이 제한적이라는 한계가 있다. 

 

연구팀은 소재 가운데 전도성이 가장 뛰어난 그래핀에 주목했다. 슈퍼커패시터에서 기존에 쓰였던 탄소전극을 그래핀으로 대체해 충전용량을 늘리는 것이다. 슈퍼커패시터의 전극에 그래핀을 쓰려면 그래핀 산화물을 분말 형태로 만들어야 했다. 이 때 산화 과정을 거친 그래핀은 결정성이 훼손돼 높은 전기전도성을 제대로 구현하기 어려웠다. 

 

연구팀은 그래핀 원료가 되는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가한 뒤 약 4000도로 순간 가열하는 ‘아크방전’ 기술을 적용했다. 그 결과 4000도로 가열된 탄소가 원자 상태로 됐다가 식으면서 그래핀을 형성하는 과정에서 결정성을 훼손하지 않고 단위면적당 전하량을 최고 수준으로 유지하는 데 성공했다. 

 

이렇게 만든 그래핀 전극은 기존 슈퍼커패시터에 활용된 탄소전극에 비해 전하 저장능력이 2~3배 늘어났다. 그만큼 저장할 수 있는 전기에너지 용량이 늘어날 수 있다는 의미다. 

 

김명종 책임연구원은 “이번 연구로 개발한 고성능 그래핀 분말을 활용하면 슈퍼커패시터는 물론 다양한 에너지 저장 시스템의 혁신을 가져올 수 있을 것”이라고 말했다. 
 

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