그래핀과 다른 2D 결정들의 에너지 전환과 저장

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-09

그래핀이라 불리는 탄소의 단원자 두께 동소체는 에너지 전환과 저장에서 많은 잠재적인 응용들을 가진다. 그래핀과 이에 관련된 이차원 결정들은 물리적인 유연성과 큰 표면 대비 무게비가 높은 전기 전도성과 함께 결합하고 있다. 이런 성능들은 배터리와 수퍼 캐패시터에서 전하를 저장하고 태양과 연료 전지 전극들에서 촉매로 사용되기 적당하다. 2D 결정들을 위한 많은 에너지 응용들은 전 세계에서 개발 중이고, 유럽의 그래핀 플래그쉽 (flagship)은 이러한 영역에서 중요한 자원들을 조사해왔다. "에너지 변환과 저장을 위한 하이브리드 시스템들과 2차원 결정들과 관련된 그래핀 (Graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems for energy conversion and storage)”이라는 제목의 사이언스지 기사에서 미국과 한국의 플래기쉽 과학자들은 에너지 분야에서 관련된 물질들과 그래핀의 잠재력을 발견하였다. 저자는 이러한 발견이 에너지 응용들과 구현을 위한 전략을 짜는데 산업계와 학계의 연구자들을 선도할 것이라 희망하고 있다. 사이언스 리뷰에서 연구원들은 연구실 수준에서 물질을 만들기 위한 여러 가지 과정을 설명했다. 또한, 그들은 가격 효율적인 방법을 이용하여 산업적인 크기에서 이 물질들을 생산하는데 발생하는 문제를 짚어봤다. 지금까지 조사된 잘 알려진 수많은 2차원 결정들은 매우 높은 표면 대 질량비를 가진다. 매 그램당 약 2600평방미터의 그래핀은 모두 표면으로 벌크가 없으며, 그래핀에게 특이한 전기, 열적, 기계적 특성들을 만들어주는 2D 성질이다. 전이 금속 디칼코게이드 몰리브덴 이황화물 (MoS2), 다양한 전이 금속 산화물들, 2D 결정의 MAX상태 등급을 포함하는 다른 2차원 물질들은 그래핀을 보완하는 특성들을 보여준다. 모든 경우에서 대량 생산과 화학적 기능화를 위한 잠재력은 그래핀과 이에 관련된 물질들이 에너지 응용들을 위한 이상적인 플랫폼으로 만들어준다. 특정 목적을 위해 조절된 특성들을 가지는 큰 크기에서 이를 만드는 것이 도전 과제이다. 벌크에서 그래핀을 생산하는 다양한 방법들이 있지만, 에너지 응용들을 위해 요구되는 산업 크기 제조에서 액체상 박리는 매우 희망적으로 보인다. 이는 현탁액 내에 있는 그라파이트로부터 그래핀 조각들을 분리하기 위하여 고주파 음파들의 효과를 이용하는 것을 포함한다. 전자소자급 그래핀은 화학 기상 증착법을 통해 만들어질 수 있지만, 프로세스는 에너지 응용들을 위해 적합하지 않다. 세 번째 가능성은 그래핀 조각들의 화학적 합성이지만, 여기에는 확장성에 대한 문제들이 많다. 태양전지 기술에서 새로운 개발에 대한 리포트없이 한 주가 지나간다. 효율들이 상승 추세이고, 다양한 나노 물질들이 광전지 필름들과 전극들에 사용되고 있다. 실리콘은 광흡수를 위해 가장 널리 사용되고 있고, 반도체 물질을 만든 실리콘은 태양전지 시장을 지배하고 있다. 유기 물질들과 양자점들을 기반한 것들을 포함하는 이세대 및 삼세대 광전지는 실리콘으로 제조된 것보다 더 낮은 광전류 효율을 가지고, 물질 안전성 및 내구성에 대한 문제들이 있다. 그래핀 및 이에 연관된 물질들은 효율을 개선하고, 제품 비용을 줄이며, 수많은 환경 이슈들을 피할 수 있어서 태양 에너지 변환에서 많은 관심을 받고 있다. 게다가, 2D 결정들은 투명도와 유연성의 장점을 가지고, 상대적으로 잘 부서지는 인듐 주석 산화물 필름을 가까운 미래에 대체할 수 있을 것이다. 또한, 2D 결정들은 플라티늄을 대신하여 연료 감응형 태양 전지들에서 촉매제로 행동할 수 있다. 이는 소자 비용을 대폭 감소시킬 것이다. 그래핀은 기존 물질들로부터 만들어진 투명 전도 필름들의 고투과율 및 낮은 시트 저항과 일치되도록 디자인될 수 있고, 그래핀 기반 물질들은 무기, 유기, 염료 감응형, 하이브리드 유기/무기 전지들을 포함하는 태양 에너지 시스템들에서 시행된 성공의 다양한 온도들을 가진다. 이는 특히 주목받고 있는 화학적으로 도핑된 그래핀 연구 및 개발에서 특별히 활발한 영역이다. 감광성 태양 전지와 더불어, 전하 수집 및 이동은 고려되는 중요한 이슈들이고, 이는 염료 감응형 전지들과 유기 광전지에 모두 적용된다. 예를 들어, 그래핀 및 연관된 물질들은 전하 캐리어 조합의 부정적인 효과들을 줄이는데 사용될 수 있다. 염료 감응형 전지들의 경우, 감소된 그래핀 산화물은 유기 광전지에서 그래핀 양자점들이 효율적인 전자-홀 투명층들이면서 티타늄 이산화물 나노 입자들과 결합된다. 소자 효율을 감소시키는 요오드화물 전해질과 접촉할 때 분해되는 경향, 금속 비용 때문에 태양 전지 상대 전극들에서 적어도 플라티늄의 양을 감소시키거나 대체할 필요성이 있다. 기능화된 그래핀 조각들과 다른 2D 결정들은 때때로 플라티늄을 능가하여 상대 전극들에서 플라티늄 대신에 사용된다. 그래핀 및 연관된 물질들에 기반한 광발전 소자들의 효율은 상대 전극으로 그래핀 나노 혈소판을 사용하여 얻어진 염료 감응형 전지들을 위해 13%의 가장 높게 보고된 효율을 가져 기존 물질들 기반의 것보다 월등한 속도로 향상되고 있다. 그래핀 기반 페로브스카이트 태양 전지들로 연구팀은 15.6% 효율을 보였고, 중요하게는 비용을 절감시켜 상대적으로 저온 프로세싱을 성취하였다. 소비되는 열을 되찾는 것은 명백하게 좋은 것이고, 이는 온도 차이로부터 전기를 발생하는 고체 상태 소자들로 행해지게 될 것이다. 또한, 열전 소자들은 태양으로부터 생산된 열을 전기로 변환시킬 수 있고, 이용된 광감성 물질들의 밴드갭 아래 에너지들로 광자들에 의해 생성된 열을 잡음으로써 태양 전지들을 강화시킬 수 있다. 열전 소자들의 효율성은 물질의 전기 및 열적 전도도들에 의존하는 성능 지수에 따라 전기로 변환되는 흡수된 열의 일부에 의해 평가된다. 일반적인 열전 소자들은 약 5%의 변환 효율들을 가지고, 이 낮은 값은 널리 이용되기에 제한된다. 열전 물질들에서 높은 전기 및 낮은 열적 전도도를 찾고 있다. 표면적으로는 이는 전기 및 열적 전도도가 모두 높은 그래핀을 제외한다. 그러나, 결점들, 에지 거칠기, 주기 홀들을 물질에 적용함으로써 그래핀의 열적 이동 특성들을 변화시키는 것은 가능하다. 이는 자연 그대로의 그래핀과 비교할 때 수 천 배까지 열적 전도도를 감소시킬 수 있다. 또한, 다른 물질들로 얻어진 수 천 배 성능지수를 증가시킬 수 있다. 문제는 화학 합성을 통해 조절된 그래핀 나노리본들을 대형화하는 문제가 있다. 여전히, 연구팀은 열전 감도 감소 없이 전기 전도도를 증가하기 위하여 탄소 나노 튜브들로 2차원 물질들을 구부릴 수 있다. 연료 전지는 산소 혹은 다른 산화제와의 반응을 통해 수소 기체와 같은 연료의 화학 에너지를 전기로 변환시킨다. 연료 전지들에 대한 많은 관심은 고전력 응용들에 집중된다. 원칙적인 어려움은 화학 반응에서 촉매제로서 금, 플라티늄과 같은 비싼 금속들을 대체하기 위한 필요성과 비용이다. 또한, 연료 전지 전극들은 유연한 몇몇 응용들을 위해 오랜 기간 동안 화학적으로 안정적이어야만 한다. 그래핀 및 이에 연관된 물질들은 연료 전지 전극, 양성자 교환 연료 전지들에서 멤브레인들로서 유망한 대체 물질들이다. 그래핀 및 이에 연관된 물질들이 중요 금속 촉매제들을 대체할 수 없는 곳에 2차원 물질들의 첨가는 요구되는 비싼 촉매 물질들의 양을 더 낮게 할 것이다. 예를 들어, 감소된 그래핀 산화물은 상업적 플라티늄/탄소 블랙 혼합물과 비교하여 개선된 메탄올 산화를 초래하는 그래핀 산화물 위에 있는 플라티늄 전기 촉매제의 특성들을 수정한다. 오늘날의 최신 재충전할 수 있는 배터리들은 리튬 기반 음의 전극들과 그라파이트 양의 전극들을 기반으로 하고, 리튬 이온들을 저장하는 양극 물질들의 용량인 성능에 매우 중요하다. 그래핀은 그라파이트보다 더 큰 중량 측정 용량을 가지고, 물질의 유연한 성질은 특정 응용들과 환경들에서 이점들을 가진다. 또한, 그래핀 및 이에 연관된 물질들은 유닛 무게당 고전기 용량 때문에 연료 전지 음극들로서 나타나고 있다. 또한, 그래핀 기반 하이브리드 전극들은 전자 이동, 용량, 방전 전류, 소자 수명을 증가시키기 위하여 재충전 가능한 배터리들을 채택할 수 있다. 그래핀이 사실상 배터리 전극들에 포함되지 않지만, 고성능 양극/음극 나노 입자들의 성장을 위한 기판으로서 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 감소된 그래핀 산화물 조각들 상에 성장된 리튬 기반 나노 로드들은 감소된 그래핀 산화물 혹은 그라파이트보다 사이클들의 고정된 수 이상에서 더 낮은 감소를 보인다. 그래핀 혹은 MoS2 조각들 내에 전기 화학적으로 액티브한 입자들을 랩핑하는 것은 다른 가능성이다. 전기화학적 캐패시터들은 절연 물질에 의해 분리된 전도 플레이트들 사이의 전기장에서 에너지를 저장한다. 정전기 이중층 캐패시터들, 하이브리드와 가상 캐패시터(pseudocapacitor)를 나누는 수퍼 캐패시터들은 요구된 에너지 밀도가 리튬 이온 배터리들보다 더 큰 고전력 응용들에서 이상적이다. 이러한 응용들은 산업 발전소와 전기 유틸리티들을 위한 백업 전력과 로드 레벨링, 무거운 리프팅, 전기 및 하이브리드 모터 차량들을 포함한다. 수퍼 캐패시터들은 필연적으로 큰 소자들이고, 이들을 구성하는 물질들은 100~200 마이크론 두께 전극들로 벌크 내에서 생산된다. 대부분 이중층 캐패시터들은 유기 전해액들로 침윤된 탄소 전극들을 가진다. 수퍼 캐패시터의 다른 타입은 그라파이트 리튬 이온 양극이 액티브된 탄소 음극과 결합되는 리튬 이온 하이브리드 전지들에 기반한다. 이러한 경우에서 에너지 밀도는 이중층 캐패시터들의 에너지 밀도보다 약 두 배이다. 수퍼 캐패시터들의 성능은 전해질에 접근 가능한 전극 표면 영역 상에 의존하고, 이는 그래핀과 같은 2D 결정들 그라파이트와 액티브된 탄소 위에서 이점을 가지는 곳이다. 실제 이는 다공성 구조를 만들도록 화학적으로 액티브된 레진들, 물과 이온 액체들, 메조포러스 탄소 구들, 탄소 나노 튜브들과 같은 스페이서 물질들을 가지는 그래핀 기반 혈소판을 포함할 수 있다. 특히, 물질 패킹 밀도가 낮다면, 큰 물질 표면이 항상 고성능 수퍼 캐패시터들로 해석되지 않는다는 것을 주목하고 있다. 감소된 그래핀 옥사이드의 모세관 압축을 통하거나 그래핀 하이드로겔들을 건조시키는 증발을 통해 패킹 밀도를 증가시키는 것은 가능하다. 작동 전압을 높이는 것은 에너지 저장 용량을 증가시키는 다른 방법이다. 이중층 캐패시터들은 빠른 충전/방전과 긴 주기 수명, 높은 에너지 저장 용량에 의한 리튬 이온 배터리들에 사용되고 있다. 두 기능을 결합한 결과는 두 형태의 소자 모두에서 일반적인 성능 상충관계에 따른 리튬 이온 하이브리드 수퍼캐패시터를 파생시켰다. 이중층 캐패시터에 대한 전극들은 마이크로파 확장 그라파이트 산화물로 만들어지고 그라파이트, 리튬과 철 산화물로 이루어진 리튬 이온 배터리 전극들이 연구되어오고 있다. 이는 화학 환원과 산화 반응들을 통해 특수 용량을 증가시키는 전도 폴리머들을 이용하여 루테늄, 망간, 몰리브덴을 기반으로 하는 금속 산화물들을 포함한 전극들 역시 사용되고 있다. 그래핀은 전도 지원으로 이 시스템들 내에 포함된다. 수소는 휘발유보다 3배 이상의 에너지 밀도를 가지고, 이의 연소 부산물은 물이다. 녹색 연료로서 수소을 사용하는 주요 도전들은 기체를 저장하고 생산하는 것이다. 전기분해는 수소 기체 제품을 위한 중요 메커니즘이고, MoS2 및 감소된 그래핀 산화물을 포함하는 2D 결정들의 에지들은 반응에서 액티브 촉매 장소들이다. 개념은 간단한 반면, 수소 진화 반응의 상세한 것은 물질마다 다르다 이 물질이 수소로 저장될 때 탄소 기반 구조들은 높은 중량 밀도와 특히 그래핀으로 인해 매력적이다. 계산은 이 중량 밀도가 탄소 나노튜브처럼 기둥 구조들을 가진 그래핀 다층 내에서 8%까지 이론적으로 가능하다. 이는 극저온과 높은 압력 영역에 적용된다. 대기 조건에서 최대 이론적 밀도는 4%이다. 실질적으로 이 수는 실온과 압력에서 1%의 밀도로 더 낮아진다. 이 물질이 수소로 저장될 때 탄소 기반 구조들은 높은 중량 밀도와 특히 그래핀으로 인해 매력적이다. 계산은 이 중량 밀도가 탄소 나노튜브처럼 기둥 구조들을 가진 그래핀 다층 내에서 8%까지 이론적으로 가능하다. 이는 극저온과 높은 압력 영역에 적용된다. 대기 조건에서 최대 이론적 밀도는 4%이다. 실질적으로 이 수는 실온과 압력에서 1%의 밀도로 더 낮아진다. 그래핀과 관련 이차원 결정들은 미래 에너지 전환과 저장 기술들에서 중요한 역할을 할 것이고 이는 학계와 산업계 모두 그래핀 플래그쉽 협력자들을 위한 연구와 개발의 활발한 영역이다. 에너지 응용들을 위해 이차원 결정들에 대한 큰 관심은 그들의 물리-화학적인 특성과 가격 효율적으로 방법에서 많은 양을 생산하고 처리할 수 있는 가능성 때문이다. 이로써, 이차원 결정기반 기능 잉크의 개발은 에너지 저장과 전환 소자들에서 새로운 세대 전극들을 실현하기 위한 관문이다. 이에 대한 도전은 이차원 물질들이 일반적인 전극들을 대체하고 전체적으로 새로운 소자 개념들을 세울 수 있어 더 중요한 와해성 기술들을 실현하는 것이다. 캠브리지 그래핀 센터의 소장이며 그래핀 플래그쉽 중역회의 의장인 안드레아 페라리 박사는 이 분야에서 그래핀에 대한 가능성의 진지하게 낙관적인 측면을 제공하고 있다. 그는 그래핀과 관련 관련들은 이 분야들에서 큰 가능성을 가지고 있으며 그래핀 플래그쉽은 투자의 중요 분야로 에너지 응용들을 확인했으며 우리는 우리의 결정적인 개요가 사회전체를 위한 궁극적인 혜택을 가지고 응용들과 이용을 향하여 최적의 경로들을 조사하기 위해 학계와 산업계 연구원들을 안내할 것이라고 말했다. http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38922.php