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중국, ‘그래핀 베이스 플렉시블 에너지 저장 및 전환 장치’
연구개발에서 새로운 성과 달성
배터리, 슈퍼 캐패시터(Supercapacitors), 태양전지 등 에너지 저장 및 전환 장치는 에너지에 대한 효율적인 이용 및 휴대식 전자제품 등 분야에서 폭 넓은 응용 전망을 가지고 있어 주목을 받고 있다. 소비 전자제품 소형화 및 옷을 입듯이 몸에 입을 수 있고 접을 수 있는 플렉시블 전자제품 개념이 제시되면서 이런 신제품들을 위해 에너지를 제공할 수 있는 가볍고, 엷고, 플렉시블한 에너지 저장 장치 개발이 시급한 상황이다.
탄소나노튜브와 그래핀(Graphene)은 전형적인 1차원과 2차원 탄소질 재료로서 표면적(Surface area)이 크고, 전기 전도성이 높고, 플렉시블 성능이 좋은 등 구조와 성능 특징을 보유하고 있기 때문에 플렉시블 에너지 저장과 전환 장치 개발에 있어서의 이상적인 재료 중의 하나로 되고 있다.
최근 중국 료우닝성(遼寧省) 선양시(瀋陽市)에 위치하여 있는 ‘중국과학원(中國科學院)’ 산하 ‘금속 연구소’ 소속 ‘선양(瀋陽) 재료과학 국가(연합) 실험실’의 ‘선진 탄소재료 연구부’ 연구개발팀은 ‘탄소나노튜브/그래핀에 기반한 플렉시블 에너지 저장 및 전환 장치’ 연구개발에서 중요한 성과를 달성하였다. 연구팀이 이번에 연구개발한 ‘탄소나노튜브/그래핀에 기반한 플렉시블 에너지 저장 및 전환 장치’는 순환 안정성이 높고, 신속한 충전 및 방전을 실행할 수 있고, 굽힐 수 있는 등 우수한 성능을 보유하고 있다는 점이 입증되었다.
연구팀은 그래핀 나노 편(片)으로 하여금 자체적으로 필터 종이를 구성하는 섬유소 섬유의 미세공(Pore) 속에서 조립되게끔 하여 일종 그래핀/섬유소 3차원 망사 형태의 복합재료를 개발하였다. 이런 복합재료는 종이의 플렉시블 특성을 유지하였을 뿐만 아니라 그래핀 나노 편의 ‘스태킹(Stacking) 및 상봉’을 감소시켰으며 신속하게 전해액 이온을 운송할 수 있는 루트를 보유할 수 있게끔 하였다. 동 복합재료는 슈퍼 캐패시터의 전극으로 사용할 수 있으며 단위 면적 캐패시터는 81mF/cm2 수준에 도달하였으며 5,000회 이상의 충전, 방전 순환을 통해 용량이 감소되지 않는 것으로 나타났다.
동 ‘복합재료’를 이용하여 조립한 플렉시블 슈퍼 캐패시터는 초고(超高) 플렉시블 특성을 나타내었으며 1,000회 이상의 굽힘을 통해서도 저장 성능이 기본적으로 변화하지 않는 것으로 나타났다(그림 1a). 3개의 병열 슈퍼 캐패시터는 2.5볼트 이상의 전압을 보유하고 있기 때문에 한 개의 발광 다이오드(Light-emitting diodes)를 밝힐 수 있으며(사진 1b) 동시에 동 플렉시블 슈퍼 캐패시터는 임의로 절단하고 접하고 굽혀 각종 형태를 나타낼 수 있으며(사진 1c) 관련 성능은 RFID 태그 등 마이크로 파워 응용 수요를 충족시킬 수 있다.
섬유소는 가격이 저렴하기 때문에 연구팀은 원가가 저렴하게 대량으로 그래핀을 제조할 수 있는 기술을 개발하였을 뿐만 아니라 플렉시블 그래핀 복합 종이의 개발 공법을 간단히 하였기 때문에 동 복합재료는 플렉시블 전자제품 속에서 응용될 수 있게끔 하였다.
연구팀은 중국 톈진시(天津市)에 위치하여 있는 ‘톈진(天津)대학’의 양취안훙(楊全紅) 교수 연구팀과 ‘중국과학원(中國科學院)’ 산하 ‘물리 연구소’의 멍칭보(孟慶波) 연구원 연구팀과 협력하여 플렉시블 그래핀 편 상에서 탄소나노튜브 수직 진열을 생장시키는데 성공하였다. 2차원 그래핀과 1차원 탄소나노튜브로 구성된 전체 탄소 재료는 고 성능 리튬이온전지 음극과 염료감응 태양전지(Dye-sensitized solar cells)의 전극 재료로 활용하는데 성공하였다.
전통적인 리튬이온전지 중에서 구리 집중 유동체 및 점착제의 상대적인 활성 물질이 대부분의 비중을 차지하고 있다. 이번에 달성한 연구성과 중에서 탄소나노튜브 진열이 직접 그래핀 베이스 편 상에서 생장되고 탄소나노튜브 진열과 직접 그래핀 베이스 편 간의 밀접한 결합을 통해 전체적인 전기 성능이 좋고 굽힐 수 있도록 하였으며(사진 2a, b) 그 어떤 전기 전도를 위한 첨가제가 필요 없이 직접 탄소품질 집중 유동체로 하여금 배터리의 에너지량 밀도와 출력 밀도를 대폭 향상시킨 것으로 나타났다.
반(半) 배터리 성능에 대한 측정 테스트 결과, 이번에 개발된 전체 탄소 전극은 매우 높은 ‘쿨롬 효과(Coulomb efficiency)’, 양호한 순환 안정성과 비교적 큰 리튬 저장 용량(사진 2c)을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 염료감응 태양전지(Dye-sensitized solar cells) 중에서 ‘전체 탄소 재료’는 효과적인 촉매 I3 의 환원을 실현하고 에너지 전환 효율은 전통적인 백금 전극의 83% 수준에 도달한 것으로 나타났으며(사진 2d), 자원이 부족한 귀금속 백금을 대체할 수 있게 될 것으로 전망된다. 때문에 동 ‘그래핀-탄소나노튜브 조립체’는 ‘고성능 플렉시블 에너지 저장 및 전환 장치’ 중에서 응용될 수 있는 것으로 나타났다.
이번 연구 결과는 과학연구 논문으로 정리되어 국제 학술지인 ‘선진 에너지 재료’에 공식 발표되었으며(Advanced Energy Materials 2011, 1(4): 486-490; Advanced Energy Materials 2011, 1(5):917-922), 연구팀은 중국 ‘국가 발명 특허’를 신청하였다고 한다.
사진 1: 그래핀/섬유소 복합 종이에 기반한 슈퍼 캐패시터. a) 동 슈퍼 캐패시터는 굽힘 및 굽히지 않는 상태에서의 전기화학 성능은 거의 비슷한 것으로 나타남. b) 3개 병열 된 슈퍼 캐패시터가 한 개 발광 다이오드를 밝힐 수 있음. c) 빗(Comb) 형태로 절단된 전극의 슈퍼 캐패시터임.
사진 2. 플렉시블 탄소나노튜브 배열/그래핀의 형태(a, b) 및 리튬전지 음극(c)과 염료감응 태양전지(Dye-sensitized solar cells)가 전극(d)에 대한 성능을 나타냄.
출처 : http://www.imr.cas.cn/xwzx/kydt/201110/t20111024_3383919.html
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