KPI뉴스 - 버려지는 완두콩 껍질, 고성능 수퍼커패시터로 부활하다

포스텍은 김원배 교수 연구팀이 버려지는 식물 열매껍질에서 얻은 천연 소재로 고성능 수퍼커패시터를 개발하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

▲ 포스텍 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수. [포스텍 제공]

이 기술은 충전 시간은 빠르지만 에너지 저장용량이 부족한 기존 커패시터의 단점을 극복할 수 있는 차세대 친환경 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 이번 연구성과는 '컴포지트 파트 비-엔지니어링' 온라인판에 게재됐다.

전기차 보급이 확산되고, 재생에너지 사용이 늘어나면서 '빠르고 오래가는' 에너지 저장(ESS) 기술에 대한 중요성이 커지고 있다. 기존의 리튬이온 배터리는 충전 시간이 길고 수명이 짧다. 반면, 커패시터는 단 몇 초 만에 충전되고 수명도 길지만, 에너지 저장용량이 적다는 한계가 있었다. '수퍼커패시터'는 이러한 배터리와 커패시터의 장점을 같이 챙길 수 있는 에너지 저장 시스템으로, 빠른 충전 시간과 높은 에너지 저장용량을 모두 확보할 수 있으나 산업에서 요구하는 기준을 충족하지 못하고 있다.

연구팀은 완두콩 껍질과 꽃식물인 '피테켈로비움 둘체'의 열매껍질에 주목했다. 이 껍질들을 태우면 표면에 수많은 구멍이 뚫린 다공성 탄소 소재가 되는데, 표면적이 넓고 전기가 잘 통해 에너지 저장 장치의 핵심 부품인 전극으로 사용하기에 매우 적합하다.

여기에 코발트와 코발트 산화물을 더해 자성을 띠는 복합소재를 만들었다. 이 소재는 외부에서 자기장을 가하면 전극 물질의 자화 방향 또는 스핀이 질서정연하게 정렬된다.

▲ 탄소계 물질과 강자성 소재의 복합화 전극재료의 반응 메커니즘과 외부 자기장 하의 수퍼커패시터 셀 구성 모식도. [포스텍 제공]

연구팀은 이어 식물 유래 탄소 소재와 자성 소재를 복합화하여 전극으로 사용하는 수퍼커패시터 시스템을 제작했다. 일상생활에서 사용하는 부착형 자석 정도의 자기장을 가한 결과, 전극 에너지 저장용량이 53.8% 증가했고, 전기 저항은 절반 가까이 줄어 충·방전 속도도 빨라졌다.

자기장이 에너지 저장 장치에 실질적인 효과를 낸 것은 이번이 처음이다. 이 시스템은 자기장 조건에서 에너지 밀도가 42.1% 향상됐고, 1만 회 이상 충전과 방전을 반복한 후에도 96.2%의 성능을 유지하며 높은 안정성을 입증했다.

이번 기술은 각종 전자기기에 쓰일 수 있으며, 재생에너지로 생산한 전기를 효율적으로 저장하고 빠르게 공급하는 시스템에도 활용될 수 있다. 더불어 식물 껍질을 재활용한 친환경 기술로 폐기물 저감과 환경 보호 효과도 기대된다.

김원배 교수는 "그동안 이론으로만 논의되던 자기장을 활용한 성능 향상을 실제 시스템으로 구현한 점에 의미가 있다"며 "이 기술은 전기차와 스마트그리드, 재생에너지 저장 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr

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