재생가능 에너지 저장을 위한 새로운 시스템

스위스 로잔공과대학 분산전기시스템실험실의 연구진은 에너지 관리 및 저장 관련 시스템을 개발해 이를 학교 캠퍼스 내에 설치했다. 이 시스템은 Romande Energie-EPFL 태양단지에 연결되어 있으며, 향후 태양전지판으로부터 전기를 공급받는 전력그리드의 행동특성에 대한 실제 테스트를 수행할 예정이다.

연구진은 스위스에 설치된 최대 규모의 태양단지 중 하나를 활용하여 재생가능 에너지 중 특히 태양에너지와 관련한 산업규모 활용 문제를 해결하고자 연구를 진행하고 있으며, 여기서 얻어지는 전기는 EPFL 스마트 그리드 프로젝트의 일환인 전력분산 그리드에 공급될 예정이다.

이 시스템은 운송용 컨테이너 크기로 기술적 독자성을 갖고 있다. 기술은 르클랑셰가 개발한 고성능 리튬이온 티탄산염(Lithium-ion Titanate) 전지를 기반으로 한다. 이들 전지의 충전-방전 사이클 수명은 약 15,000회로 이는 약 3,000회의 수명을 갖고 있는 일반적인 전지와 비교했을 때 우수한 수치이다. 또한 전지는 세라믹 분리막(Ceramic Separator)으로 구성되어 있어 안정성을 극대화했으며 EPFL 엔지니어들과 커뮤니케이션이 가능한 배터리용 소프트웨어뿐만 아니라 저장 및 에너지 변환 모듈 등이 구성되어 있는 통합 솔루션이라 할 수 있다.

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.

KISTI 미리안 글로벌동향프리핑

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.