미 에너지부(U.S. Department of Energy)에서 개발한 물질을 기반으로 하는 리튬이온 배터리(Lithium-ion Battery)가 아직은 실험실 단계이지만, 대부분의 전기자동차(Electric Car)에 사용되는 배터리와 비교했을 때 최대 두 배의 에너지를 저장할 수 있을 것이라고 발표했다. Seeo의 CEO인 Hal Zarem은 이 기술을 성공적으로 상업화할 수 있다면 한 번의 충전으로 200마일 이상을 주행할 수 있는 경제적인 전기자동차를 운전할 것이라 밝혔다. 오늘날 가장 저렴한 전기자동차의 가격은 약 30,000달러 수준이며, 이들의 주행거리는 보통 100마일이 채 되지 않는다.
그러나 새로운 배터리는 저장용량을 개선해 현재 전기차의 평균 운행거리를 유지하면서 배터리 팩의 크기는 절반으로 줄일 수 있어 전기차의 가격을 낮추는데 도움을 줄 것으로 보인다. 미 캘리포니아 주 Hayward에 기반을 두고 있는 Seeo사는 잠재적인 고객들의 평가를 받기 위해 2015년에 제품 선적을 시작하겠다는 계획을 가지고 있다. Seeo사의 배터리 시제품은 고체 상태 배터리(Solid-state Battery)이며, 이는 일반 리튬이온 배터리에 사용되는 액상 전해질을 고체로 대체한 것이다.
고체 전해질은 다양한 장점을 가지고 있다. Seeo가 개발한 제품은 순수 리튬을 사용하며, 이는 보다 많은 에너지를 저장할 수 있다. 다른 회사들도 고체 전해질과 순수 리튬을 사용하는 배터리를 개발했으나 Seeo사가 도달한 에너지 저장 용량 대비 낮은 것으로 나타났다. 보통 고체 전해질은 액체 전해질만큼 이온을 잘 전달하지 못한다. 또한 순수 리튬은 단락을 유발하는 금속 필라멘트(Metal Filament)나 덴드라이트(Dendrite)를 형성하는 경향이 있으나, Seeo의 고체 전해질은 부드러우면서 이온을 운반하고, 단단하면서 전극 사이에서 물리적 장벽을 형성하는 두 개의 고분자 층을 포함하고 있어 덴드라이트가 형성되는 것을 방지한다.

태양 및 풍력발전에서 얻어지는 에너지를 저장하는 새로운 종류의 배터리가 시장을 흔들고 있다. 이 배터리는 대규모이면서 수명이 오래가는 새로운 세대 배터리 중 가장 경제적이라 할 수 있다. 새로운 배터리를 통해 간헐적인 재생가능 에너지원(Renewable Energy Source)에 대해 의존도를 높이는 것이 가능할 것으로 보인다.

카네기멜론 대학(Carnegie Mellon University)에서 스핀아웃(Spin Out)된 Aquion Energy는 최근 마이크로그리드(Microgrid)라 불리는 소규모 전력 그리드 운영사에 이들의 배터리를 최초로 공급하였다. 마이크로그리드는 중앙화된 일반 그리드와는 다르게 독자적으로 운영이 가능하다.

일반적으로 풍력발전, 태양발전, 수력발전과 같은 지역 에너지원을 이용하는 마이크로그리드는 일반 그리드의 수용범위를 넘어서 거주하고 있는 수 억 명의 사람들에게 안정적으로 전기를 제공할 수 있다. 태양전지판(Solar Panel)이나 풍력터빈(Wind Turbine)에서 얻어지는 전기는 배터리에 저장할 수 있기 때문에 재생가능 에너지원을 활용한 전기 생산에 있어 간헐성 문제를 해결해준다. 따라서 재생가능 에너지로부터 24시간 전기 공급을 가능하게 해준다.

Aquion의 배터리는 염수(Saltwater)에서 얻어지는 나트륨 이온(Sodium Ion)을 전해질(Electrolyte)로 활용한다. 전류는 산화망간(Manganese Oxide)을 기반으로 하는 양극으로부터 탄소를 기반으로 하는 음극까지 염분이 함유된 전해질을 통해 이동한다. 배터리는 크고 느리게 작동하지만 기존 제조설비를 활용하여 경제적으로 만들 수 있다. 지난주 Aquion는 생산 확대를 위해 34.6백만 달러의 자금지원을 발표하기도 하였다.

배터리 비용은 현재 많이 사용되지 않는 납축전지(Lead-acid Battery) 수준이지만 수명은 2배 정도이기 때문에 장기적 비용을 절반 수준으로 저감할 수 있다. 이와 유사하게 긴 수명을 가진 다른 배터리들이 존재하지만 납축전지와 비교해보면 비용은 훨씬 높다.

새로운 에너지 저장(Energy Storage) 기술은 재생가능 에너지를 보다 실현가능하게 만드는데 중요하다. 이와 같은 일은 특히 원거리 지역(Remote Location)에 더욱 그러할 것이다. 많은 지역에서 디젤연료보다 태양발전을 보다 경제적으로 만드는 일은 전기를 제대로 활용할 수 있는 10억 명의 인구 중 일부에게 청정에너지를 공급하는데 중요한 역할을 할 것이다.

향후 비용이 하락함에 따라 배터리는 마이크로그리드 이외에 새로운 응용분야를 찾을 수 있다. 일반 전력 그리드가 재생가능 에너지에 대한 의존도가 점차 높아짐에 따라 이를 안정화하기 위해서도 활용될 수 있다. Aquion사는 어느 지역에서 이들의 배터리가 사용되고 있는지에 대해 세부적으로 언급하지는 않았다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

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).

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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).

SK C&C, 한전 나주 통합ICT센터 인프라 구축 사업 수주

SK C&C가 한전 나주 통합ICT센터 인프라 구축 사업을 수주하고 본격적인 구축에 들어갔다고 밝혔다. 

이번 사업은 2015년 나주 혁신도시로의 한국전력 이전에 앞서 건설 중인 한국전력 ICT센터의 무정전 전원공급장치(UPS), 발전기, 배터리 등 ICT센터 인프라를 구축하는 것이다. 

SK C&C는 특히 이번 한국전력 ICT센터 인프라에 대해 국내 최초로 ‘Tier-Ⅲ 구축 인증’을 받아 세계적 수준의 안정성과 친환경성을 갖춘 그린 ICT센터 환경을 제공할 계획이다. 

Tier 인증은 데이터센터의 안정성을 평가하기 위해 세계적 인증기관인 미국의 업타임(Uptime)이 건축, 기계 등 주요 인프라에 대한 안정성·가용성을 Tier Ⅰ부터 Ⅳ(최상위)까지 4등급으로 구분·심사하는 것으로, ‘Tier-Ⅲ’는 24시간 365일 무중단 유지보수가 가능한 데이터센터에게 부여되는 등급이다. 

그동안 국내 ICT센터 설계에 있어 Tier-Ⅲ 인증을 받은 경우는 있었지만 구축에 있어 Tier-Ⅲ 인증을 받는 것은 국내 최초다. 

SK C&C는 데이터센터의 무중단 운영을 위해 ▲비상발전기 ▲무정전 전원 공급장치 등 전원의 공급경로를 이중화하여 안정성을 강화할 예정이다. 만약 전원공급이 끊기더라도 무정전 전원 공급장치(UPS) 가동에 이은 자체 발전기 기반의 비상발전시스템 전환 체제를 구현한다. 

또 설비증설에 따른 가용성과 확장성 확보로 언제든지 중단 없이 유지 보수가 가능하도록 할 계획이다. 

LG화학, 中 전기차 상해기차, Qoros와 배터리 공급 계약

LG화학이 세계 최대 전기차 시장인 중국을 본격 공략한다. 이와 관련 LG화학은 최근 중국 1위 완성차 업체인 상해기차 및 ‘코로스(Qoros)’ 등 2개사와 배터리 공급 계약을 체결했다고 밝혔다. 

계약상 모델명 및 규모 등 구체적인 내용은 밝힐 수 없지만 상해기차의 차세대 PHEV(플러그인하이브리드자동차)와, ‘코로스(Qoros)’의 차세대 HEV(하이브리드자동차)에 LG화학의 배터리가 탑재될 예정이다. 

이번 계약으로 LG화학은 기존 제일기차, 장안기차를 포함해 배터리 업계에서는 가장 많은 4곳의 중국 현지 고객을 확보, 중국 시장 공략을 위한 유리한 고지를 선점하게 됐다. 

특히 LG화학은 이번에 중국 1위 완성차 업체인 상해기차를 고객사로 확보하면서, 중국 내 ‘Big 5’ 완성차 업체 중 3곳을 고객사로 확보했다는 점에서 의의가 크다. 

지난해 중국 내 승용차 판매 실적 기준으로 상해기차는 1위, 제일기차는 3위, 장안기차는 4위에 랭크되어 있다. 

이들 3개사의 지난해 중국 내 승용차 판매 대수는 총 1,024만대로, 전체 시장(1,793만대)의 60% 가까운 점유율을 보이고 있다. 

또한 ‘코로스(Qoros)’는 중국의 체리자동차와 이스라엘 투자기업인 이스라엘코퍼레이션의 합작사로, 최근 모터쇼에서 선보인 모델들이 호평을 받으며 자동차의 발원지인 유럽에서 판매량이 급증하고 있어 향후 큰 폭의 성장세가 기대되는 신흥 명문 완성차 업체다. 

실제 차량이 출시되면 수천억원의 추가 매출을 올릴 것으로 기대하고 있다. LG화학은 이처럼 중국 고객사와의 대규모 공급계약이 이어지면서 중국 현지 진출에도 속도를 낼 방침이다. 

현재 LG화학은 중국 내 합작법인 파트너사 결정을 위한 막바지 작업을 진행하고 있으며, 파트너사가 결정되는 대로 협의를 통해 팩 및 셀 공장을 건설할 지역도 선정할 계획이다. 

이처럼 LG화학이 중국에 핵심역량을 집중하는 것은 중국 전기차 시장이 세계에서 가장 큰 폭으로 성장할 것으로 전망되기 때문이다. 

중국 정부는 2020년까지 누적으로 500만대의 전기차를 보급하겠다는 신에너지자동차 보급 정책을 발표하고, 보급시범도시를 확대하는 등 전기차 육성을 위한 정책적 지원을 아끼지 않고 있다.

또한 중국 환경보호부도 최근 미세먼지 퇴치를 위해 1조 7,000억 위안(한화 약 280조원)을 투입할 예정으로, 미세먼지 대책 중 핵심이 전기차 보급인 것도 관련 시장 성장에 긍정적으로 작용하고 있다. 

실제로 글로벌 시장조사기관인 IHS는 중국 친환경차 시장이 지난해 3만3천대에서 2020년 65만5천여대로 20배 가까이 성장할 것으로 전망하고 있다. 

특히 IHS는 중국이 세계 친환경차 시장에서 가장 높은 성장률을 보일 것으로 전망하며, 2020년에는 전세계 시장에서 중국이 ▲EV(순수전기자동차)는 30% ▲PHEV(플러그인하이브리드자동차)는 16%의 점유율을 보일 것으로 예상하고 있다. 

한편, LG화학은 현재 국내 충북 오창에 세계 최대인 연간 20만대 규모의 전기차 배터리 양산 시설을 비롯해 미국 미시간주 홀랜드시에도 전기차 배터리 생산 공장을 보유하고 있으며, 전기차 배터리 분야 세계 1위로서 20여개의 고객사를 확보하고 있다. 

<출처: LG화학>