환경문제에 대한 고민과 개선의 목소리가 높아지면서, 이를 해결하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 무엇보다 대기오염을 낮추기 위한 전기차 연구가 가장 큰 대안으로 떠오르는 가운데, 전기차 운행에 있어 가장 중요한 요소인 배터리 연구는 그 중에서도 가장 활발하다.
전기차 배터리로 상용화되고 있는 리튬이온전지. 전기차를 이용해 장거리 여행을 하기 위해서는 에너지 밀도가 높은 전지가 필요한데, 현재 사용되고 있는 리튬이온전지는 에너지밀도가 낮아 이러한 요건을 충족시키기 어려웠다. 장거리 여행이 어려울 뿐 아니라 출력이 낮아 언덕이 가파른 곳에서는 사용이 어려웠기 때문이다. 때문에 출력이 높으면서도 에너지 밀도가 높은 슈퍼커패시터의 필요성이 제기되곤 했다.

고출력 가능한 슈퍼커패시터

국내 연구진이 리튬이온전지와 비슷한 에너지로 에너지밀도를 유지하면서, 동시에 높은 출력을 낼 수 있는 슈퍼커패시터를 개발해 주목을 받고 있다. 미래창조과학부 소속 기초과학연구원(이하 IBS)의 나노구조물리연구단이 해당 연구를 진행, 주목받는 성과를 도출한 것이다. 이로써 기존의 전기자동차 배터리를 대체할 수 있는 전기 저장장치 상용화에 대한 기대감도 함께 높아졌다.
“슈퍼커패시터는 고성능 전기저장 장치 또는 대용량 축전지 등으로 불리며 전기자동차의 배터리를 보완하거나 배터리를 대체해 사용할 수 있는 장치입니다. 일반 2차 전지에 비해 에너지밀도는 작지만 순간적인 고출력을 낼 수 있다는 장점이 있어요. 이러한 특성 때문에 2차 전지의 성능을 보완하는 장치로 전기자동차 등에 설치하고 있죠. 시동과 급가속 등 순간적으로 높은 출력을 필요로 할 때 슈퍼커패시터를 활용합니다.”
이영희 단장에 따르면 기존의 슈퍼커패시터는 에너지 밀도가 낮았고, 이를 극복하기 위한 연구로 물질의 구조를 개선해 에너지 밀도를 올리는 연구가 상당히 진행된 바 있다. 하지만 에너지 밀도를 올리면 출력밀도가 떨어지는 단점을 안고 있었기에 연구는 생각보다 쉽지 않았다.
“슈퍼커패시터 재료 중 각광 받고 있는 재료는 활성화탄소, 탄소나노튜브, 그래핀 처럼 전기전도도가 높은 탄소기반 재료들입니다. 그러나 이들 재료는 모두 표면적이 넓어 많은 이온을 흡착시켜 에너지 저장밀도를 올릴 수 있는 반면, 출력밀도가 현저히 떨어진다는 단점을 안고 있습니다. 저희 연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위해 탄소나노튜브와 그래핀을 같이 섞어 넓은 표면적을 유지, 이를 통해 에너지 밀도를 증가시키고 동시에 출력 밀도를 높이기 위해 미세구멍 통로를 설계해 이온의 출입이 용이하도록 구조를 최적화했습니다.”
이러한 과정을 통해 나노구조물리연구단은 기존 기술의 한계를 극복할 수 있었다. 출력 성능이 높으면서 에너지 밀도는 기존 리튬이온 배터리와 비슷한 슈퍼커패시터를 만드는데 성공한 것이다. 그렇기에 이영희 단장팀의 연구는 리튬이온 전지를 대신해 전기 자동차에 직접 장착해 사용할 수 있는 만큼 전기자동차 실용화에 한걸음 다가가게 할 중요한 연구 사례라는 평가를 받고 있다.
이영희 단장팀은 기존 진행된 연구의 단점을 극복하기 위해 탄소나노튜브 표면에 CTAB라는, 플러스전하를 띠는 고분자를 입혀 마이너스 전기를 띤 산화흑연과 물속에서 혼합해 탄소나노튜브가 산화흑연 사이로 자기조립에 의해 끼어들어가는 구조를 만들었다. 특이한 사항은 끼어 들어간 탄소나노튜브가 수직으로 세워져 구멍이 많은 3차원 건물구조를 만들어냈다는 점이다. 이런 특징은 이온을 저장할 때 이온이 이동하는 경로를 제공해주고 동시에 탄소나노튜브와 그래핀의 넓은 표면적을 이용해 전하를 흡착시켜 전하저장을 최대화시켜주는 역할을 제공한다.
“저희팀이 디자인 한 구조는 표면적이 높은 그래핀 층을 아파트 건물의 층간 물질로 삼고 전기전도도가 높은 탄소나노튜브를 층간을 유지하는 기둥으로 삼은 3차원 입체구조입니다. 층간 이온 출입을 용이하게 하기 위해 구조 내에 칼륨을 주입하고 고온의 열처리를 했어요. 이를 통해 그래핀 층에 미세구멍을 형성하고 결정적으로 에너지밀도를 개선했습니다. 이처럼 출력밀도를 높일 수 있던 해당 구조의 핵심기술은 이온의 출입이 탄소나노튜브기둥으로 구성된 층 내에서 뿐만 아니라 그래핀 판에 미세구멍을 만들어 그래핀 층간에도 출입이 용이하도록 설계한 것입니다.
또한 탄소나노튜브 기둥의 밀도를 최적화시켜 이온이 그래핀 표면뿐 아니라 탄소나노튜브 표면에도 흡착해 에너지밀도를 최적화시킬 수 있도록 했습니다. 저희가 얻은 성능은 기존의 어느 슈퍼커패시터보다 높은 에너지밀도와 출력밀도 값을 달성했어요. 또한 이 구조는 질량밀도가 1.06 g/cm-3 으로 높은 무게밀도 뿐 아니라 높은 부피밀도값을 유지한다는 점에서 타 기술과 현저히 다릅니다. 다른 기술은 무게밀도가 높으면 부피밀도가 떨어집니다. 이것이 바로 저희 연구와 타 연구의 가장 큰 차이점이라고 할 수 있겠죠.”

탄소나노튜브와 그래핀, 어느 게 더 우수한가

이영희 단장팀에 의해 만들어진 3차원 탄소나노튜브-그래핀 건물구조는 아직도 높은 무게밀도(1.06 g/cm3)를 갖고 있어 부피당 최대 출력밀도(424 kW/L) 부터 최대 에너지밀도(117.2 Wh/L) 혹은 무게당 최대 출력밀도(400 kW/kg)에서 최대 에너지밀도(110.6 Wh/kg)를 갖고 있다. 이러한 무게당 에너지밀도는 상용화되고 있는 리튬이온전지 에너지밀도와 버금가는 것으로 기존의 어떤 슈퍼커패시터보다 높은 값을 기록한다. 해당 연구결과는 앞으로 전기자동차 개발에 배터리 대신 직접 사용될 것으로 예상되고 있다.
그렇다면 IBS 나노구조물리연구단의 이번 연구가 성공으로 이어질 수 있던 핵심기술은 무엇일까. 이에 대해 이영희 단장은 “3차원 탄소나노튜브-그래핀 빌딩구조” 라고 답했다. “앞서도 언급했듯 수용액 속에서 양이온계면활성제(CTAB, Cetyl  Trimethy Lammonium Bromide) 라는 고분자를 탄소나노튜브에 흡착시키면 탄소나노튜브표면이 플러스(+) 전기를 띠게 됩니다. 여기에 마이너스(-) 전기를 띠고 있는 산화흑연을 넣으면 자기조립에 의해 섞이게 되고 이 때 탄소나노튜브는 흑연판 사이에 수직으로 정렬해 3차원 탄소나노튜브-그래핀 빌딩구조를 만들게 됩니다. 바로 이러한 3차원 빌딩구조가 이번 연구를 성공으로 이끈 핵심사항이라고 볼 수 있습니다.”
그가 이번 연구를 진행한 것은 탄소나노튜브와 그래핀, 두 물질에 대한 고민을 이어가면서 자연스럽게 이어진 결과다. 그는 “그동안 탄소나노튜브와 그래핀을 같이 연구해 왔는데, 많은 연구자들로부터 둘 중 어느 재료가 더 우수한가라는 질문을 많이 받았다”며 “이를 대답하기 위해 리뷰 논문도 써야만 했다. 리뷰 논문에 ‘두 재료 모두 우수하지만 연구하기에 따라 두 재료의 장점 혹은 단점이 부각될 수 있다’ 고 주장했다. 그동안 두 재료가 만나 장점이 부각되는 기술을 찾았다. 그 결과 중의 하나가 이번에 개발한 고성능 슈퍼커패시터”라고 이야기 했다.
“이 연구 결과를 얻기까지 4년의 시간이 걸렸습니다. 최적화 된 구조를 얻기까지 시행착오를 엄청나게 많이 겪고 좌절도 많이 했습니다. 연구 중간에 3차원 구조를 만들고 그 구조를 확인하는데 많은 시간이 걸렸습니다. 또한 에너지밀도를 높이기 위한 과정도 쉽지 않았습니다. 칼륨 처리를 하고 열처리 조건을 최적화시키고, 그에 따른 슈퍼커패시터 성능 최적화 하는 과정이 또 다른 힘든 과정 중 하나였죠. 학생이 좌절하면 제가 힘을 실어줘야 했고 또 제가 실망하면 학생이 더 열심히 해 저한테 힘을 보태줬어요. 그 결과 지금까지 올 수 있었죠.”
이영희 단장팀의 해당 연구결과는 앞으로 많은 영향력과 파급효과를 미칠 것으로 기대를 받고 있다. 일반적으로 전지는 출력이 낮기 때문에 그것만으로는 직접 전기자동차에 사용할 수 없다. 커패시터와 결합한 하이브리드 형태를 써야하는 경우와 대비해 이번에 개발한 장치는 에너지밀도가 리튬전지에 버금가면서도 출력이 높으므로 전기자동차에 직접 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 단순히 전기자동차에의 응용을 넘어 모든 이동용 에너지 저장장치에 응용이 가능한 기술로 여겨지고 있어 파급효과 역시 매우 클 것으로 언급되고 있다.
“에너지밀도를 더 높이기 위해서는 슈퍼캐패시터 전극의 두께를 지금보다 늘여야 합니다. 그런데 두께가 늘어나면 성능이 떨어지는 문제점을 갖고 있기 때문에 추후 이 문제가 해결될 필요가 있어요. 운행시간은 지금 단계에서는 추정하기 힘듭니다. 이 부분은 회사와 같이 연구를 진행할 예정입니다. 나노탄소기반재료를 이용한 슈퍼커패시터 기술은 기존의 리튬이온전지와 달리 폭발의 위험이 전혀 없고 환경친화적이에요. 그만큼 사용의 범위가 넓다고 할 수 있죠. 앞으로 관련 회사와의 연구를 통해 실용화 기술로 발전시킬 계획입니다.”