| 초록 |
제1장 연구과제의 개요 제1절. 개발기술의 중요성 및 필요성 1. 개발기술의 주변환경과 필요성 가) 기술적 측면 ○ 초고용량 커패시터 또는 전기화학 커패시터라고 명명되기도 하는 슈퍼커패시터는 전기화학적인 이온흡착 및 산화환원 원리를 이용하여 전기에너지를 변환저장하며 신속한 충방전을 반영구적으로 반복할 수 있는 고효율, 고출력형인 차세대 전기에너지 저장 기술로 아래와 같은 장점을 가지고 있어 응용분야가 급격히 확대될 것으로 예상되고 있음. · 소형 경량화 특성 / 간단한 장착 및 유지보수 불필요 / 급속 충방전 특성 · 기존 커패시터보다 높은 에너지밀도 / 기존 2차전지보다 100배 이상의 고출력밀도 · 환경 친화적인 재료 / 폭발 위험이 없는 안정성 / Memory effect가 없음 · 넓은 작동온도 및 반영구적 수명 ○ 상용화된 전기이중층커패시터 (EDLC)는 에너지밀도 측면에서 2차전지 대비 1/10 수준에 머물러 국가 신성장 동력을 창출하기에는 한계가 있어 에너지밀도와 파워밀도를 동시에 상승시키는 고품위화 전략이 필요. ○ 2012년 처음 보고된 플로우커패시터(electrochemical flow capacitor, EFC)의 경우 전극물질과 전해질이 혼합 슬러리를 이동시켜 충ž방전을 수행하는 형태이고 EDLC에 기반한 고 에너지밀도 구현에는 어려워 보이는 구조임. ○ 슈퍼커패시터의 에너지 저장밀도를 높이기 위한 연구에는 대부분 그래핀이 이용되고 있으며, 2015년에는 3차원 탄소나노튜브/그래핀 빌딩구조를 이용하여 최대 출력밀도와 최대 에너지밀도를 향상시킨 연구가 발표되기도 하였음. (* 출처: ACS Nano, online, doi: 10.1021/nn507079x, 2015. 02) ○ 그래핀을 전극물질로 이용한 슈퍼커패시터 개발 연구로는 한국전력연구원, 비나텍, 한국과학기술원, 가천대학교가 공동으로 진행한 연구를 통해 기존의 활성탄소보다 가벼우면서 고성능을 내는 슈퍼커패시터가 보고되기도 하였음. (* 출처: 투데이에너지, 2018년 4월 17일자 기사) ○ 최근 과학계의 폭발적 관심을 받고 있는 그래핀은 2차원 형상의 탄소 nanosheet로서 높은 비표면적 (2,600 m 2 /g), 우수한 전기전도도(> 10,000 S/m) 및 기계적 특성을 보유하고 있어 에너지저장장치분야에서 기존 탄소 소재의 한계를 뛰어넘을 수 있는 돌파기술 (breakthrough technology)로 주목을 받고 있으며 관련 산업의 성장을 견인할 핵심 전략소재로 평가되고 있음. (출처: Market Research Report, GRAPHENE: Technologies, Applications, and Markets, BBC Research, 2011) ○ 최근, 그래핀을 EDLC 전극 소재로 적용한 논문이 다수 보고 되고 있으나, EDLC의 특성상 에너지용량은 10 Wh/kg이하로 제한되고 있음. 상술한 한계를 돌파하기 위해서는 그래핀 전극소재 복합화 및 나노/마이크로 구조의 3D화를 통한 높은 에너지밀도 슈퍼커패시터의 개발이 시급함. 즉, 그래핀의 우수한 특성에 기반하고 질화물/산화물과 복합된 복합소재를 슈퍼커패시터의 전극으로 적용 시 “Battery-like capacitor 개념의 고품위 슈퍼커패시터” 개발이 가능하게 될 것으로 기대됨. (출처 : 본문 : 제1장 연구과제의 개요 25p) |
