ESS 기술 해외수출 등 기술력 인정받아

Special Report 1 l 에너지저장장치(ESS) 시장 l ③ 기술 동향

 

ESS 기술 해외수출 등 기술력 인정받아
기존 에너지저장장치보다 충전 3배 빠른 에너지저장장치 기술 개발

 

 

국내 연구진이 그래핀의 조각형태인 ‘그래핀 플레이크’를 수직으로 세워 충·방전이 2~3배 빠른 고성능 에너지저장장치를 개발했다. 빠른 충전이 필요한 전기차에 사용될 에너지저장장치 개발에 기여할 것으로 기대된다. 미래창조과학부는 이효영 성균관대 화학과 교수(교신저자), 윤여흥 박사(제1저자) 연구팀이 수직 구조체의 환원그래핀 플레이크 필름전극을 만들었다고 지난 4월 16일 밝혔다.
그래핀 플레이크 전극은 높은 비표면적과 전도성을 가져 에너지저장장치에 적합하지만 전극밀도가 낮아 저장장치 부피가 커지는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 그래핀 플레이크를 압축하거나 첨가물을 넣어 밀도를 높이려는 연구가 있었으나 수평 구조로 인한 느린 충·방전 속도를 개선하는 것이 관건이었다.
연구팀은 수평이 아닌 수직 구조의 플레이크 필름전극을 만들어 기존 단점을 보완했다. 물에 분산된 산화그래핀 플레이크가 수평구조 필름을 쉽게 만드는 것에 착안해 두루마리 형태의 롤을 제조했다. 이를 절단해 수직 구조체의 환원그래핀 플레이크 필름전극을 만들었다.
빠른 충·방전을 위해서는 전극의 균일한 기공 확보가 관건이다. 연구진은 롤을 이루는 산화그래핀 플레이크 시트 사이에 탄소나노튜브를 위치하도록 해 시트 사이에 규칙적인 기공을 형성했다.
개발된 그래핀 플레이크 전극은 기존 에너지저장장치보다 높은 에너지 효율을 보였다. 연구팀은 “기존 사용되고 있는 분말형태나 수평구조 그래핀보다 개발된 전극은 약 3배의 에너지저장용량(170F/cc)을 나타낸다”고 밝혔다. 전극밀도 역시 기존 활성탄이나 그래핀(<0.5g/cc) 대비 높은 것(1.18g/cc)으로 나타났다. 특히 다른 첨가제나 복잡한 공정 없이 수직 구조체를 만들고 이를 규칙적으로 배열해 높은 밀도의 전극을 제조, 높은 비표면적을 갖는 그래핀 플레이크의 장점을 그대로 살릴 수 있어 주목받는다.
이 교수는 “높은 전극밀도를 갖는 수직 구조의 그래핀 플레이크 기술은 고용량 고속의 슈퍼 커패시터와 배터리 충전기 등 차세대 에너지저장장치 개발에 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)과 한국전자통신연구원의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 미국화학회가 발간하는 나노분야 국제학술지 ACS 나노지 4월 2일 자 온라인 판에 게재됐다.

 

 

 

 

미국 기업에 에너지저장장치 핵심기술 이전

한양대는 에리카캠퍼스 하성규 교수(공학대학 기계공학과)팀이 미국 에너지저장장치(ESS) 분야 선두기업 비컨파워에 ‘플라이휠 에너지저장장치 핵심 기술’을 이전하는 계약을 체결했다. 하 교수팀은 기술료 33만달러(한화 약 3억5,000만원)와 향후 10년간 판매액의 1.5%를 로열티로 받는다.
하 교수팀이 핵심기술 개발에 성공한 ‘플라이휠 에너지저장장치’는 공해가 전혀 없고 무한 수명의 미래 에너지 저장 장치로 기대를 모은다. 하지만 초고속으로 회전하는 로터와 허브의 설계제작 기술 개발이 어려워, 지난 10년간 세계적 연구기관들은 전력량 35kW를 넘지 못했다.
하 교수팀은 로터에 들어가는 유리섬유 및 카본 섬유를 획기적 설계 기법으로 혼합하고 이를 재배치, 지름 약 1m, 무게 1톤, 회전수 약 2만rpm의 로터를 지지하는 허브를 개발해 전력량 50kW를 넘는 저장장치 상용화를 이뤄냈다.
하성규 교수는 “개발한 플라이휠 에너지저장장치는 다른 방식보다 전력 저장 용량을 크게 높일 수 있고, 유지 보수 비용이 낮다”며 “국내에서는 전력사용량이 적은 심야에 여유분의 전력을 저장 장치에 저장한 후 전력수요가 급증하는 낮에 공급하는 방식으로 여름철 전력부족사태를 해결할 수 있는 기술"이라고 설명했다.
에너지저장장치는 물을 저수지나 댐에 저장하듯 수요가 없을 때 전력을 저장한 뒤 필요할 때 꺼내 사용할 수 있다. 플라이휠 에너지저장장치는 초고속 회전 운동에너지로 전환해 에너지를 저장하고, 필요 시 전력으로 변환한다. 풍력발전, 태양광 발전장치에 결합하면 바람·태양 에너지 공급이 일시적으로 끊겨도 전력을 계속 공급할 수 있다.

 

 

목재 폐기물로 친환경 에너지 저장 소재 개발

국내 연구진이 목재 폐기물로부터 이차전지에 활용할 수 있는 에너지저장장치를 만들었다.
한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구단 박사와 경희대 화학공학과 박호석 교수, 미국 메릴랜드대 이상복 교수 공동 연구진은 목재 폐기물로부터 생체고분자인 ‘리그닌’을 추출해 재생 가능한 에너지 저장용 전극 소재를 개발했다고 밝혔다.
기존의 무기물 기반의 이차전지 소재는 값이 비싸고 재생이 어렵다는 문제를 갖고 있었다. 연구진은 폐기되어 버려지는 목질계 바이오매스 내 존재하는 리그닌 나노결정을 2차원 나노신소재인 그래핀과 결합시켜 고용량 및 빠른 충·방전, 장기 내구성을 가지는 재생 가능한 친환경 ‘슈퍼커패시터’용 전극소재를 개발했다. ‘슈퍼커패시터’는 전기화학적 반응을 통해 에너지를 충전하는 에너지 저장 소자로서, 리튬 이차전지에 비해서 높은 출력, 빠른 충·방전 속도 및 오래 사용해도 안정하다는 장점을 갖고 있다.
연구진이 개발한 ‘리그닌·그래핀 전극’은 충전용량을 기존의 ‘활성탄 전극(200F/g 이하)’의 2배 이상인 432F/g까지 증가시키는 데 성공했다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - ESS 기술 해외수출 등 기술력 인정받아