신형 축전 장치 개발 : 100℃ 이상의 고온작동화 성공

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-26

일본 나고야 대학 대학원 환경학 연구과의 연구 그룹은 나고야 공업 대학 대학원 공학 연구과와의 공동 연구를 통해 승용차 등 차량의 차세대 축전 장치로 주목 받고 있는 캐패시터의 고온 작동에 성공했다. 기존의 캐패시터에서는 전해질에 수계 또는 유기 전해액이 사용되고 있었기 때문에 캐패시터의 작동 온도는 필연적으로 전해액의 끓는점 이하(약 80℃)로 제한되어 있었다. 연구 그룹은 고내열성의 이온 전도성 세라믹(피로인산 주석 화합물)을 발견하고 이를 전해질에 이용함으로써 캐패시터의 작동 온도를 150℃까지 높일 수 있는 것으로 확인했다. 연구 성과는 2015년 1월 20일(영국 시간) 영국 온라인 과학 전문지 "Scientiiic Reports"에 게재되었다. 캐패시터는 두 전극과 전해질로 구성되어 있으며, 전해질의 양이온과 음이온을 마주해 축적함으로써 충전하고, 또한 그 이온을 방출하여 방전하는 축전 장치이다 (그림 1) . 따라서, 캐패시터는 배터리와 마찬가지로 반복 충방전되지만 배터리와 달리 충방전 과정에서 화학 반응을 수반하지 않기 때문에, 고속 충 방전이 가능하며, 또한, 전극 열화가 적고 반복 특성이 우수하다. 기타 특징으로는 전기 용량은 배터리가 탁월하지만 파워는 캐패시터가 높고, 또한 저렴하면서도 안전하기도 하다. 한편, 차량은 차륜(바퀴)에 제네레이터 및 얼터네이터를 설치하고 감속시 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하고, 재사용하는 저연비 기술을 적극적으로 채용하고 있다. 이를 위한 축전 장치로 기존에는 배터리가 사용되고 왔지만, 상기의 이유로 현재 캐패시터로의 대체화가 강하게 요구되고 있다. 그러나 차량, 특히 승용차는 엔진 룸 내의 온도가 최고 125℃까지 도달하기 때문에 캐패시터의 열 관리가 실용화에 큰 과제였다. 이번 연구 그룹은 캐패시터의 전해질로 일반적으로 사용되는 저비점 전해액을 검토하고, 새롭게 수소 이온 전도성 세라믹인 피로인산 주석 화합물로 대체하는 것을 제안했다. 피로인산 주석 화합물은 상온에서 200℃의 폭넓은 온도 범위에서수소 이온이 빠르게 전도하며, 약 2V의 전압에도 견딜 수 있는 재료이다(그림 2). 이 세라믹스를 상용 고분자와 혼합, 압연함으로써 높은 밀도의 유연한 필름 형태 전해질로 만들었다(그림 3). 전극은 기존의 캐패시터와 마찬가지로 활성탄을 사용하여 충방전 시험을 실시한 결과, 150℃에서도 7,000 회의 안정된 반복 특성을 나타냈다 (그림 4). 또한 캐패시터로서의 성능도 납 축전지에 필적하는 에너지 밀도 10~30Wh/kg을 발휘했다 (그림 5). 본 연구에서 개발된 캐패시터는 차량의 감속 에너지를 효율적으로 전력으로 회수 에어컨, 오디오 등 전자 제품의 전원으로 재사용함으로써, 특별한 모터나 배터리를 사용하지 않아도 약 10% 연비 개선 효과를 가져올 것으로 기대된다. 캐패시터의 전기 용량은 사용하는 활성탄의 표면적뿐만 아니라, 산화 상태에도 영향을 받는다. 예를 들어, 활성탄을 묽은 질산으로 처리함으로써 그 표면이 부분적으로 산화되어 카르보닐기(C(=O)-)를 생성한다. 이러한 관능기는 스스로 산화와 환원을 수행하여 전기를 축적하는 것이 가능하다. 앞으로 연구팀은이 기술을 이용하여 전기 용량의 추가적인 개선에 노력할 예정이다. [논문정보] 1) 제목:High-temperature super capacitor with a proton-conducting metal pyrophosphate electrolyte 2) 저자:Takashi Hibino, Kazuyo Kobayashi,Masahiro Nagao,ShinjiKawasaki 3) 저널명:Scientific Reports 20150121204236.png 20150121204252.png 20150121204300.png http://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20150120_eng.pdf