그라핀 기반 공기 전극의 지형. a, b) 다른 확대크기에서 어떠한 처리없이 준비된 기능화된 그라핀 시트 (FGS) (탄소/산소 (C/O) = 14)의 SEM 이미지. c, d) C/O = 14와 C/O = 100를 가진 FGS를 이용한 방전된 공기 전극.

그라핀 기반 나노물질들은 에너지 관련 영역들에서 많은 유망한 응용들을 가지고 있다. 예를 들어, 그라핀은 재충전 배터리 내 에너지 용량과 충전율 모두를 개선하고 있고 활성화된 그라핀은 에너지 저장을 위해 우수한 수퍼캐패시터를 만들며, 그라핀 전극들은 값싸고 가벼우며 플렉서블한 태양전지를 만드는 유망한 접근방법을 이끌 수 있고 구겨진 그라핀은 고에너지 리튬 저장 물질의 성능을 향상시키며, 다기능 그라핀 매트는 촉매 시스템을 위한 유망한 기판이다. 이 예들은 그라핀이 태양전지, 수퍼캐패시터, 리튬 이온 배터리, 연료 전지를 위한 촉매에서 충격을 가할 수 있는 네 가지 주된 에너지 관련 분야들에서 주목을 받고 있다는 것을 의미한다. 여기서 배터리와 수퍼캐패시터 등 에너지 저장 응용들에 대한 내용을 주로 다루고 있다.

그라핀과 그라핀 기반 물질들은 전기화학 에너지 저장 시스템들을 위한 대체 전극 물질들로 선택하도록 높은 기계적인 유연성, 큰 표면적, 화학적인 안정성, 우수한 전기적, 열적 전도성 등 특이한 특성으로 이 영역에서 매우 큰 주목들 끌고 있다.

"Graphene and Graphene-Based Materials for Energy Storage Applications"라는 제목의 스몰 지 최신 리뷰 기사는 네 가지 에너지 저장 시스템인 리튬 이온 배터리, 수퍼캐패시터, 리튬 황 배터리, 리튬 공기 배터리에 대한 그리핀 및 그라핀 기판 물질들에서의 진행사항들을 개괄하고 있다.

고전력 리튬 이온 배터리 (LIB)를 개발하기 위해 중요한 것은 Li 이온들의 짧은 확산 길이를 이용한 빠른 전자 이동와 큰 표면적을 위해 높은 전기 전도성과 잘 개발된 나노구조를 가진 새로운 물질들을 개발하는 것이다.

이 측면에서, 우수한 전기 전도성, 훌륭한 기계적인 유연성, 훌륭한 화학적인 안정성, 큰 표면적 (2630 m2 g-1)으로 인해 그라핀은 좋은 후보물질이 될 것으로 기대되고 있다. 그러나, 실재적인 응용들에 대한 한계로 초기 그라핀 전극들을 가진 LIB는 안정된 잠재적인 출력들을 제공할 수 없다고 보고되었다.

이런 문제를 우회하고 그라핀 전극들의 성능을 더 개선하기 위해 다양한 전략들이 개발되고 있다.

에너지 포획과 저장 소자의 또 다른 종류가 빠르게 성장하면서, 수퍼캐패시터 혹은 울트라캐패시터로 알려진 전기화학 캐패시터 (ES)가 더 높은 전력 밀도와 더 훌륭한 주기성 측면에서 배터리에 비해 더 많은 장점을 가지고 있다. 이외에, 그들은 기본적으로 관리없이 매우 간단한 충전 회로를 요구하고 어떠한 메모리 효과도 없을 것이어서 떠오르는 재생 에너지 응용들에 대한 매우 유망한 후보소자로 고려되고 있다.

지금까지, 상용화된 EC의 에너지 밀도는 리튬 이온 전지의 20?170 Wh kg-1 에 비해 매우 작은 5?10 Wh kg-1만을 얻을 수 있다.

리튬 황 (Li-S) 배터리의 초기 연구는 1940년대로 돌아가기 때문에, 수많은 연구들이 상용화를 위해 투자되어왔다. 그러나, 아직까지 수 많은 문제들이 이 기술의 상용화를 막고 있다. 하나의 주된 문제는 제한된 활성 물질 이용 효율과 비율 용량을 초래하는 황의 고유한 낮은 전기 전도성이다. 또 다른 문제는 충전-방전 과정에서 반응 중간매체들이 매우 용해되면서 형성된 다황화 음이온이다.

지금까지, 위의 문제들에 대한 가능한 해법은 황 전극 전기 전도성 개선, 용해가능 Li2Sn 중간매체들의 포획, 주기 도중 전극의 부피 변화 개선 등 탄소 매트릭스 내 황을 캡슐화하는 것이다. 이 탄소 물질들 사이에서 Li-S 배터리 내 그라핀 응용은 특이한 2D 표면, 높은 전도성과 우수한 기계적인 유연성으로 인해 매우 유망하다. 이외, 그라핀의 표면 기능화 그룹들은 주기 과정 도중 그라핀 표면 상에 S/Li2Sx를 움직이지 못하도록 유연하게 조절될 수 있다.

잠재적인 차세대 에너지 저장 소자로 리튬 공기/산소 (Li-O2) 배터리는 일반적인 Li-ion 배터리 내 치윤을 금지한다. Li 이온들은 다공성 전극에서 산소와 직접 반응한다.

특이한 배터리 화학과 전극 구조가 자동차 응용들에서 배터리에 설정된 목표 (∼1700 Wh kg-1)에 맞는 잠재성을 가지는 매우 증가된 이론적인 비에너지 (∼3500 Wh kg-1)를 제공하고 있다. 결론적으로 일반적인 활성 물질 내로 그라핀과 그라핀 관련 물질들의 이용이 선구적인 에너지 저장 시스템들인 Li 이온 배터리, 수퍼캐패시터, Li-S 배터리, Li-O2 배터리에서 많은 놀라운 진보들을 이루어 왔다. 수퍼캐패시터의 미래 디자인과 최적화의 경우, 2D 그라핀 시트들의 자기 조립적인 특성과 활성 물질들 (금속 산화물, 금속 황화물)과의 더 많은 혼성을 기반한 3D 구조들이 매우 유망할 것으로 기대되고 있다.

배터리 충전 및 방전 과정에서의 공기 전극 표면 생성물 형태 및 성분 변화

배터리 방전 심층 정도와 충전 현재 전압이 배터리 순환 수명에 끼치는 영향

리튬 공기 배터리 열 역학 균형 전위의 실험 수치와 이론 수치 비교 및 수치가 제로일 때의 열 역학 균형 과전압

전식 리튬-공기 배터리(Nonaqueous Rechargeable Li-air Batteries)는 이론 상에서 3505 Wh/kg 혹은 3436 Wh/l의 에너지 밀도를 보유하고 있다. 이런 배터리를 전기 자동차에 성공적으로 응용할 수 있게 된다면 전기 자동차는 연료 차량과 비교할 수 있는 연속 주행 거리(>500km)를 보유할 수 있게 될 것으로 전망된다. 때문에 최근 리튬 공기 2차 전지(Lithium-air Secondary battery)에 대한 연구는 과학기술계와 산업계의 연구 이슈로 부상한 상황이다.

하지만 지금까지의 관련 연구 결과를 보면, 리튬 공기 배터리의 실용화는 배터리의 순환 회수가 제한을 받고, 에너지 변환 효율이 낮고, 배율(magnification) 성능이 취약한 등 여러 가지 문제점과 도전에 직면하여 있는 상황이다.

이런 문제점 때문에 리튬 공기 배터리의 응용 전망은 과학기술계와 산업계의 의심을 받고 있으며 관련 연구개발을 실행할지 여부를 확정하지 못하고 있는 상황이다. 현재 리튬 공기 배터리 실용화 관련 핵심 과제에 대한 연구를 실행하는 것이 절실한 상황이며 이런 문제점을 유발시키는 근본 원인을 해석하고 이런 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 솔루션을 개발하여 리튬 공기 배터리 발전과 응용을 추진해야 하는 상황이다.

중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소 산하 `고성능 세라믹 및 초 미세 구조 국가 중점 실험실` 소속 `이온 전기 전도 에너지 변환 재료 및 박막 리튬 배터리 연구팀`은 최근 관련 연구를 통해 리튬 공기 2차 전지 실용화를 위한 핵심 기술 개발에서 다양한 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.

우선, 연구팀은 배터리 순환 수명과 관련하여 수직 특정 방향 탄소 나노튜브를 공기 전극으로 사용하여 핵심 반응 생성물인 Li2O2의 방전 핵 형성, 성장 및 충전 용해 변화 과정에 대한 시각화를 실현하였다(그림 1. 참조). 연구팀은 공기 전극 상의 Li2O2의 역 방향 형성과 분해는 배터리 반복 순환의 핵심이며 부(副) 반응으로 인한 탄산염의 누적은 배터리 순환 용량 감쇠를 발생시키는 주요한 원인으로 된다는 결론을 도출하였다(J. Phys. Chem. C，117, 2013, 2623-2627 (IF~4.8)； J. Power Sources 235, 2013, 251-255(IF~5.2)). 연구팀은 관련 연구 결과를 기반으로 하고 배터리 작업 과정에서의 리튬 산소 반응 정도에 대한 제어를 통해 Li2O2 역 방향 특성을 강화시키고 부 생성물 탄산염 형성을 통제하여 배터리의 순환 수명을 최대한 연장시켰다(그림 2. 참조)(Adv. Energy. Mater.，3, 2013, 1413-1416(IF~14.4)；Energy Technol. 2, 2014, 317-324；J. Inorg. Mater., 29, 2014, 113-123).

다음, 연구팀은 배터리의 에너지 변환 효율 향상을 목표로 연구를 실행하였다. 연구팀은 배터리 플랫폼과 방전 플랫폼 사이에 존재하는 비교적 큰 전압 차이 문제(과전압(Overpotential) 문제)에 근거하여 리튬 산소 반응 촉매가 에너지 변환 효율 혹은 과전압에 끼치는 영향에 대해 관찰하였다. 연구팀은 나노 Au 입자와 나노 MnO 입자는 산소 환원 반응을 추진하지만 나노 Au 입자는 산소 석출 반응 속에서 전자 교환을 발생시키지 않고 전기 전도성을 증가시키고 부 생성물 분해 역할을 발휘한다는 결론을 도출하였다. 하지만 나노 MnO 입자는 초기 순환의 산소 석출 반응 과정에서 전자 교환을 발생시킨다는 결론을 도출하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 순환 회 수의 증가에 따라 생성물이 나노 입자에 대해 코팅 패시베이션(Coating passivation)을 발생시키기 때문에 나노 Au입자와 나노 MnO는 Li2O2에 대한 분해 추진 역할이 모두 뚜렷이 감쇠된다는 점을 발견하였다(J. Phys. Chem. C，118, 2014, 7344-7350 (IF~4.8)；J. Power Sources 267, 2014, 20-25(IF~5.2)).

연구팀은 간헐 보통 전류 적정방법(Galvanostatic Intermittent Titration Technique, GITT) 기술이 배터리 작업 과정에서의 과전압을 생성시키는 원인에 대한 심층적인 연구를 실행하고 열 역학 균형 상황 하에서 충전과 방전 간의 전위차는 제로라는 결론을 도출하였다(그림 3. 참조). 동시에 열 역학 균형 전위는 온도의 향상에 따라 감소된다는 연구 결론을 도출하였다. 충전과 방전의 극단 상황과는 달리 첫 번째 상황은 Li2O2 성장 동력학 영향을 받게 되며, 두 번째 상황은 부 생성물의 영향을 받는다는 점을 발견하였다(Energy. Environ. Sci. 2014, DOI：10.1039/c4ee01777c (IF~15.5)).

매우 흥미로운 점은 Na가 Li 음극을 대체할 때 방전 과정에서 생성된 리튬 공기 배터리와 매우 유사한 생성물은 NaO2이라는 점이다. 하지만 이런 시스템은 순환 과정에서의 과전압을 0.2V 수준에 도달시킨다(에너지 변환 효율은 90% 수준에 달할 수 있음)는 점을 발견하였다. 이런 현상을 조성시킨 주요 원인은 NaO2가 충전 과정에서 쉽게 분해되는데 있는 것으로 나타났다(Phys. Chem. Chem. Phys.，16, 2014, 15646-15652 (IF~4.2)). 연구팀은 이번 연구를 통해 Li2O2 생성과 분해 과정은 과전압 생성의 주요 원인으로 되어 Li2O2로 하여금 충전 과정에서 쉽게 분해되게끔 하여 과전압을 감소시키고 배터리 에너지 변환 효율을 향상시키는 효과적인 수단으로 되고 있다는 점을 입증하였다.

셋째, 연구팀은 배터리 배율 성능이 떨어지는 문제점에 근거하여 Li2O2 형태, 반응 온도와 압력, 사전에 핵을 형성하여 배터리 충전 및 방전 배율을 효과적으로 향상시키는 연구를 실행하였다.

넷째, 연구팀은 이번 연구를 통해 용량이 5Ah에 달하는 소프트 롤(Soft roll) 리튬 공기 배터리를 개발하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 배터리 방전 전의 품질에 대한 계산을 실행하여 약 400Wh/kg에 달하는 품질 에너지 밀도를 취득하였다. 예를 들면, 방전 후 생성물의 품질을 계산하였는데 동 수치는 약 340Wh/kg에 달하는 것으로 나타났다. 연구팀은 이번 연구를 통해 대 용량 배터리 모듈 속에서 공기 양극의 체적 팽창과 Li 음극에 대한 보호 문제가 뚜렷해지기 때문에 큰 중시를 돌려야 하며 순환 성능과 배율 성능은 반드시 향상되어야 한다는 연구 결론을 도출하였다.

연구팀은 리튬 공기 2차 전지 실용화 핵심 과제에 대한 다양한 연구를 통해 리튬 공기 배터리 응용을 제약하는 보틀넥 문제에 대해 심층적으로 이해하였으며 이런 문제를 해결하는 효과적인 수단을 개발하였다. 2차 리튬 이온 전지 개념은 지난 20세기 80년대에 제기되었으며 실제 응용까지는 약 10년이라는 시간이 걸렸다. 과학기술 연구개발 실력이 대폭 향상된 지금 과학기술계와 산업계의 공동 노력을 통해 리튬 공기 배터리는 향후 5~10년 내에 응용될 것으로 전망되며 특히 소비 전자 유형 제품 분야에서 폭 넓게 응용될 것으로 전망된다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?tab_code=MO&totalSearch=전기&reCheck=N&cont_cd=GT&record_no=251649

미국 남부에너지위원회(Southern States Energy Board, SSEB)는 앨라배마 모바일(Mobile, Ala.)에서 열린 연례총회에서 원자력을 지지하는 2건의 정책 결의안을 채택했다. 이 결의안 중 하나는 미국 발전 분야에서 연료 및 기술의 다원화에 대한 가치를 인정해야 한다는 것이다. 위원회는 에너지 다원화가 가격 안정, 시스템의 신뢰성 개선, 기술 혁신, 효과적인 자원 계획 및 통합, 환경 보호, 일자리 창출을 비롯하여 강력한 경제 성장을 돕는다는 주장을 제기했다.

이 결의안은 IHS 에너지의 최신 보고서인 “미국 전원 공급 다원화의 가치(The Value of U.S. Power Supply Diversity)”에서 주장하고 있는 내용을 남부 전력 규제 위원 협회(Southeastern Association of Regulatory Utility Commissioners)를 비롯하여 연방 에너지 규제 위원회(Federal Energy Regulatory Commission), 미국 전력 규제 위원 협회(National Association of Regulatory Utility Commissioners), 에너지부, 대통령, 의회를 대상으로 확산시키는 것이도 하다.

위원회가 강조한 IHS 보고서는 미국 발전 시스템의 다원화가 전기 시스템을 정상적으로 동작하게 하는 기본 원리일 뿐만 아니라 현재 진행 중인 상당한 규모의 다원화 감소를 경고하면서 부하전원을 담당하는 원자력과 석탄 화력발전의 지속적인 중단은 경쟁 시장에서 내부적으로 적절하게 조정되는 연료 가치를 부적절하게 만들 것이라고 밝히고 있다. 남부 주들은 에너지 혼합의 다원화로부터 지역 경제가 도움을 받는 것을 오랫동안 경험해 왔으며 원자력, 화력, 신재생에너지원 등 새롭고 청정한 에너지 기술의 혁신과 개발을 장려하고 있다고 NEI의 지역 이사 마이크 맥게리(Mike McGarey)가 말했다.

위원회의 원자력 관련 두 번째 결의안은 미국 환경보호국(EPA)의 제안된 규정에 관계된 것으로, 청정 공기법(Clean Air Act) 111(d) 항에 따라 기존 발전소의 탄소 배출을 규제하는 내용에 대한 것이다. 이 결의안은 EPA가 원자력발전을 명시적으로 비용대비 효과적인 탄소 조절 전략의 하나로 인정했음에도 그 초안에서는 단지 6%의 원자력 발전만 탄소 절감에 기여하는 것으로 보고 있으며 현재 조지아, 사우스 캐롤라이나, 테네시 등 남부 지방에서 건설 중인 새로운 원자력발전소는 포함시키지 않고 있음을 지적하고 있다.

이 결의안은 SSEB 회원들이 EPA를 대상으로 모든 비탄소 발전원을 동등하게 취급해줄 것을 요구하고 있으며 최종 규정에는 기존 원자력 발전을 유지하고 새로운 원자로를 건설하는 것에 대한 충분한 혜택을 포함시켜줄 것을 촉구하고 있다. 맥게리는 SSEB가 지역의 기존 원자로 44기와 신규 원자로 5기를 통해 발전 분야에서 상당한 양의 탄소 감축 의무를 수행하고 있다는 점을 치하했다. 그는 SSEB가 연방 정부의 어떤 최종 탄소 규제 규정에서도 원자력이 오랫동안 수행해온 탄소 감축 역할을 인정하는 유연성을 보여야 할 것을 촉구하는데 도움을 주고 있다고 강조했다.

맥게리는 2014-1025년 회기의 SSEB 멤버 프로그램의 회장을 맡고 있다. SSEB는 초당적인 에너지 정책 수립 조직으로서 남부 16개주의 주지사와 주 의회, 푸에르토리코 및 미국령 버진 아일랜드의 이익을 대변하고 있다. 이 위원회는 에너지 및 환경 정책, 프로그램, 기술에서 혁신을 통해 남부 지역의 경제 개발과 삶의 질을 개선하는 임무를 수행하고 있다. 이번 연례 총회에는 원자력규제위원회(NRC) 위원 윌리엄 오스텐도프(William Ostendorff)도 참석하여 2011년 일본 후쿠시마에서 발생한 원자력 사고에서 얻은 교훈을 발표했으며 과거 3년 반 동안 미국 원자력 업계가 수행한 여러 안전 개선 사항에 대한 내용도 전달했다.               

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?tab_code=MO&totalSearch=전기&reCheck=N&cont_cd=GT&record_no=251653

스탠퍼드 대학교의 글로벌 기후 및 에너지 프로젝트(GCEP, Global Climate and Energy Project)가 태양전지, 축전지, 재생연료 그리고 바이오에너지를 포함한 다양한 범위의 재생에너지 기술 발전을 위해 디자인된 7개의 연구 프로젝트에 10.5백만 달러의 연구자금을 승인받았다. 이 7개의 연구 승인은 2002년 이 프로젝트가 시행된 이후에 글로벌 기후 및 에너지 프로젝트(GCEP)가 지원하는 연구 프로그램의 총 수량을 117개로 늘리게 될 것이다.

6개의 스탠퍼드 대학교 연구팀과 미국과 유럽의 국제 연구그룹이 이 새로운 자금 지원을 나누어 사용할 것이다. 이 대학교 연구진들은 태양전지, 축전지 기술과 지속가능한 연료용 새 촉매에 관한 선진 연구를 위한 자금지원을 받았다.

- 고에너지 밀도 리튬-이온 축전지를 위한 셀프-힐링 폴리머
이 연구의 목표는 축전지 전극의 수명 주기 개선을 통한 전기자동차에 사용될 고에너지의 내구성있는 리튬-이온 축전지 개발이다. 연구진들은 충방전 동안 축전지 내에서 고용량의 변화를 수용할 수 있도록 인장되는 셀프-힐링 폴리머를 디자인할 계획이다. 연구자는 화학공학과 제난 바오(Zhenan Bao)씨와 재료과학 및 재료공학과 리 츄이(Yi Cui)씨이다.
- 광전지화학적으로 충전되는 아연-공기 축전지
아연-공기 축전지는 고에너지 밀도를 가지지만, 제한된 전력 밀도를 가진 유망한 기술이다. 연구팀은 태양광선과 공기를 사용하여 전기를 생산할 수 있는 안정적인 아연 전극을 가진 광전기화학적 축전지를 개발할 예정이다. 연구자는 화학과의 홍지에 다이(Hongjie Dai)씨이다.
- 태양광발전을 위한 우수한 비유기-유기 페로브스카이트
페로브스카이트 물질은 실리콘 태양전지의 효율성을 개선할 수 있는 저렴하고 유망한 물질이다. 이 프로젝트의 목표는 기존의 태양전지와 비교하여 광-에너지 변환 효율성을 상당히 개선하는 하이브리드 페로브스카이트-실리콘 태양전지를 개발하는 것이다. 연구자는 재료과학 및 재료공학과 미카엘 맥게히(Michael McGehee)씨와 화학과 헤마말라 카루나다사(Hemamala Karunadasa)씨이다.
- 고효율성의 빛 트랩 기능을 가진 저렴한 실리콘 태양전지
이 연구의 목적은 박막 필름 실리콘 태양전지에서 빛을 트래핑하는 새로운 기술을 개발하는 것이다. 실리콘과 다른 물질은 빛 흡수를 더욱 잘하고 태양전지의 전체적인 효율성을 개선하게 될 나노 크기의 구 형태, 돔 형태 그리고 와이어에 엔지니어링될 것이다. 연구자는 재료공학 및 재료과학과 마크 브롱거스마(Mark Brongersma)씨이다.
- 광-전자화학 전지의 태양-연료 변환 효율성의 극대화
이 연구의 목표는 태양광선을 수소로 변환시키는 효율적이고 안정적인 광-전자화학 전지와 500~700℃의 높은 온도에서 작동되는 다른 재생 연료를 창조하는 것이다. 연구자는 재료과학 및 재료공학과 윌리암 츄에흐(William Chueh)씨와 닉 멜로쉬(Nick Melosh)씨이다.
- 탄소 가스를 지속가능한 연료와 화학물질로 전자화학적으로 변환시키는 것
연구진들은 이산화탄소와 일산화탄소를 재생 연료와 화학물질로 변환시키는 새로운 촉매를 개발하기 위해 컴퓨테이셔널 분석과 실험 기술을 사용할 것이다. 연구자는 화학공학과 토마스 자라밀로(Thomas Jaramillo)씨와 화학공학과 및 스탠퍼드 대학교 산형 가속기 센터(SLAC) 국립 가속기 실험실의 젠스 뇌르스코프(Jens Nørskov)씨와 스탠퍼드 대학교 산형 가속기 센터(SLAC)의 안데르스 닐쏜(Anders Nilsson)씨이다.

미국, 벨기에 그리고 스코틀랜드의 과학자 팀도 셀룰로오스 식물을 바이오연료로 대규모 변환을 이끌 연구 지원에 대한 승인을 받았다.
- 리그닌-수정 식물에서의 산출량과 조성의 최적화
식물 세포벽의 시멘트 같은 구성요소인 리그닌을 프로세싱하지 못하는 상황은, 수수와 다른 셀룰로오스 식물에서 바이오연료를 생산하는 데 있어서 중요한 장애였다. 이전의 글로벌 기후 및 에너지 프로젝트(GCEP) 연구에서, 연구팀은 정상적인 것보다 축소된 리그닌으로 식물을 유전적으로 엔지니어링했다. 이 프로젝트는 대규모로 바이오연료를 위해 생육될 수 있는 대형 리그닌-수정 식물을 개발하는 것이다. 연구자는 퍼듀 대학교 클린트 샤플(Clint Chapple)씨, 벨기에 겐트 대학교의 바우트 보에르잔(,Wout Boerjan)씨, 위스콘신 대학교 메디슨 캠퍼스의 존 랠프(John Ralph)씨, 노스캐롤라이나 주립대학교 주 리(Xu Li)씨 그리고 스코틀랜드의 던디 대학교의 클레어 할핀(Claire Halpin)씨와 고든 심슨(Gordon Simpson)씨이다.

스탠퍼드 대학교의 글로벌 기후 및 에너지 프로젝트(GCEP)는 온실가스 배출량 감소를 통해 글로벌 기후변화의 도전을 해소하기 위한 에너지 기술분야에 관한 혁신적인 연구를 지원하는 산업계 파트너십이다. 스탠퍼드 대학교에 기반을 두고, 이 프로젝트에는 5개의 기업 즉, 엑손모빌(ExxonMobil)사, 제너럴 일렉트릭(GE)사, 슐럼버거(Schlumberger)사, 듀퐁(DuPont)사 그리고 뱅크 오브 아메리카가 참여하고 있다.        

 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』       http://www.greencarcongress.com/2014/10/20141009-gcep.html

N-도핑된 공축 탄소 나노케이블

중국 연구진은 연료 전지와 배터리를 위한 새로운 전극을 개발했다. 탄소 나노튜브와 질소가 도핑된 탄소 나노튜브로 구성된 이 전극은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

연료 전지와 금속-공기 배터리와 같은 고용량 에너지 시스템을 위한 핵심 전극 반응들은 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)과 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER)이라고 불리는 다중-전자 프로세스이다. 이런 반응의 성능은 전극 재료에 사용되는 촉매 활성에 상당한 영향을 끼친다.

높은 촉매 활성에도 불구하고, 백금, 루테늄, 이리듐과 같은 기존의 귀금속 촉매 물질은 높은 비용과 열악한 안정성 때문에 어려움을 받고 있다. 결과적으로, 과학자들은 촉매를 비-귀금속 또는 심지어 비-금속 재료로 대체할 수 있는 방법을 찾고 있다. 한 가지 방법은 나노탄소 물질에서 찾을 수 있는데, 이것은 반응성과 촉매 특성을 매우 향상시킨다.

이번 연구진은 에너지 시스템을 위한 탄소 나노물질에 대한 연구를 이전에 수행했다. 이 새로운 연구에서, 이번 연구진은 코어(core)로서 탄소 나노튜브와 쉘(shell)로서 질소가 도핑된 주름진 탄소 층을 가진 독특한 동축 탄소 나노케이블 물질을 개발했다.

저널 Advanced Functional Materials에 10월 15일자로 게재된 최근 연구에서, 이런 동축 나노케이블의 표면에 N 도펀트 원자가 풍부하게 존재한다는 것을 발견했다. 즉, N-결합이 유도된 활성 부위가 표면에 존재한다는 것을 의미한다.

“탄소 구조 속에 질소 원자들의 결합은 주위 탄소 원자들의 전자 구조를 효과적으로 조절할 수 있고, 국부적인 전하 밀도 분포를 조율할 수 있는데, 이것은 화학적 반응을 향상시키고 촉매 성능을 증가시킨다”고 Zhang은 설명했다. “그러나 대부분의 질소 도핑된 탄소 나노튜브의 경우에, 질소 원자들은 균일하게 분포된다”고 Zhang은 덧붙였다. 

이와는 대조적으로, 탄소 나노케이블 위의 활성 부위들은 산소가 포함된 전기화학적 반응을 촉진하는데 효과적이다. 따라서 CNT@NCNT(nitrogen-doped carbon nanotube) 나노케이블은 벌크 도핑된 NCNT와 비교했을 더 높은 ORR/OER 전류를 가진다. CNT@NCNT 공축 나노케이블을 제조하기 위해서, 이번 연구진은 손쉬운 비-액상 방법을 개발했다.

“아주 얇은 질소를 함유하는 터보스트래틱(turbostratic)은 CVD 방법에 의해서 탄소 나노튜브의 외부 벽 위에 에피택셜하게 성장될 수 있다. 이것은 실린더형 CNT 벽과 주름진 N-도핑된 층으로 구성된 공축 나노케이블을 제조할 수 있게 한다”고 Tian이 설명했다. “도펀트인 N 원자들은 이미 제조된 나노케이블의 표면에 풍부하게 존재한다. 그리고 내부 벽들은 원래 상태로 존재하고, 이것은 3.3 S cm-1의 높은 전기 전도성을 이끈다”고 Tian이 말했다.

표면에 N 원자가 풍부하게 존재하게 하고 연속된 내부 벽을 가지게 함으로써, CNT@NCNT은 우수한 전기 촉매 활성을 가진다. “유사한 도핑 수준을 가진 벌크 도핑된 NCNT과 비교할 때, CNT@NCNT 촉매는 산소 환원과 발생 반응에서 더 높은 전류 밀도와 낮은 과전압을 가진다”고 Wei가 덧붙였다. 도핑 원자에 의해서 유도된 활성 표면 부위가 반응물에 더 접근 가능하게 할 뿐만 아니라, 탄소 물질의 극성과 친수성은 전극 재료와 전해질 간의 계면에서 물질 전달을 촉진한다.

이번 연구진은 내부벽에 의한 높은 전기 전도성이 탄소 나노튜브 속의 N 도핑된 층의 빠른 전하 전달에 기인한다는 것을 발견했다. “결과적으로, CNT@NCNT은 NCNT와 비교할 때 우수한 정전기적 특성을 가진다”고 연구진은 말했다.

이번 연구진은 산소 전기화학(oxygen electrochemistry)을 위한 우수한 촉매 이외에도 CNT@NCNT 공축 나노케이블이 고성능 복합물 속의 계면에서 활성 부위를 완전히 노출시킬 수 있는 우수한 플랫폼이라는 것을 제시했다. 또한 선택적인 산화 반응을 위한 효과적 촉매 혹은 금속 나노입자 지지체와 나노센서로서 유용할 것이다. 이 연구결과는 저널 Advanced Functional Materials에 “Toward Full Exposure of “Active Sites”: Nanocarbon Electrocatalyst with Surface Enriched Nitrogen for Superior Oxygen Reduction and Evolution Reactivity“ 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/adfm.201401264).

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신형 초고압 개폐장치, 수도권 전력 안전 ‘책임진다’

LS산전이 해마다 늘어나는 수도권 전력수요와 발전단지 대규모화에 따른 345㎸ 전력 계통 사고를 막기 위해 용량을 6,300A(암페어)로 업그레이드 시킨 신형 GIS(Gas Insulated Switchgear : 가스절연개폐장치)를 개발, 한전에 납품한다.

LS산전이 공급하는 GIS 설비는 기존 정격인 4,000A보다 상위 규격으로, 지난 2010년 제5차전력수급기본계획에서 345㎸ 계통의 최대조류 용량이 2GW(3,600A)에서 3GW(5,400A)로 상향됨에 따라 이에 맞게 용량을 높인 개폐기를 개발했다.

전력수요가 늘어나면 계통 상 고장으로 인해 발생하는 전류도 높아지는데, 개폐장치 내 차단기 용량이 고장전류보다 낮으면 이를 차단할 수 없어 전력계통 전체가 무너질 수 있으며 최악의 경우 광역 대정전과 같은 대형사고가 발생할 수 있다. 

이 때문에 한전은 2010년 기존 4,000A와 8,000A 규격 외에 6,300A를 새로운 규격으로 확정했고, LS산전은 2012년 개발에 들어가 이듬해 11월 공인기관 시험을 거쳐 지난 2월 한전 입찰자격 등록을 완료했다.