리그닌과 그래핀의 결합, 차세대 에너지 저장소자 실현 앞당길 듯
이번 성과는 목재 폐기물로부터 값싸고 재생 가능한 유기물 기반의 친환경 전극 소재 개발기술을 확보했다는데 의미가 있다. 기존의 무기물 기반의 이차전지 소재는 값이 비싸고 재생이 어려워 경제·환경적 문제점을 안고 있었다. 현재 상용화된 활성탄 전극은 제조 과정에서 고온(900℃ 이상)의 탄화과정과 추가적 활성화 과정을 거쳐야 하고 전극 기준 용량이 제한돼 있어 다양한 소재개발 연구가 진행돼 왔다.
슈퍼커패시터의 성능과 직결되는 중추적 구성성분이 전극 소재이다. 기존에 전극 물질로써는 주로 활성탄이 사용됐다. 표면적에만 의존한 용량 발현으로 인해 기술적인 한계점을 노출하고 있다. 에너지 저장 시스템이 미래 첨단 산업의 주요 에너지원으로 사용되기 위해서는 보다 높은 성능지표들을 요구하고 있다. 최근 표면 산화·환원 반응에 의해 용량을 증가시킬 수 있는 무기산화물 계통의 전극 소재가 각광을 받고 있다.
대부분의 무기물 기반의 에너지 저장 소재는 값이 비싸고 재생이 어렵다는 경제·환경적 문제점을 안고 있다. 높은 에너지 용량을 가지면서 동시에 값싸고 재생 가능한 유기물 기반의 에너지 소재에 관한 연구가 절실하게 요구되고 있다.
'리그닌·그래핀 전극'은 생체시스템에서 발견할 수 있는 산화·환원 반응을 리그닌에서 구현함으로써 충전용량을 활성탄 전극(200F/g 이하)의 2배 이상인 432F/g까지 증가시켰다. 그래핀 본연의 우수한 전기적 특성, 넓은 표면적, 전기화학적 안정성을 이용해 높은 출력과 장기내구성도 갖췄다.
이번 연구는 경희대 박호석 교수팀, 한국과학기술연구원(KIST) 이현주 박사팀, 미국 메릴랜드 대학교 이상복 교수팀이 미래창조과학부와 한국연구재단이 시행하는 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행했다. 연구결과는 에너지·환경 분야 국제학술지 ChemSusChem 4월 4일자 온라인 판(논문명: Superior Pseudocapacitive Behavior of Confined Lignin Nanocrystals for Renewable Energy-Storage Materials)에 실렸다.
박 교수는 "유기물인 리그닌을 이용한 전국 소재 개발로 바이오매스 분야에 새로운 응용 가능성을 제시했다"고 말했다.
정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr
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