전기車 몇 분 만에 충전? 슈퍼 커패시터 개발해

텍사스A&M대학 연구팀이 식물성 재료를 이용한 새로운 슈퍼 커패시터를 개발했다. 이 기술이 실용화되면 지금은 수십 시간까지 걸리는 전기 자동차 충전 시간이 몇 분 안에 끝낼 수 있을 것이라고 한다.

현재 전기 자동차에는 리튬이온 배터리가 많이 쓰인다. 에너지 밀도가 뛰어나기 때문. 하지만 무겁고 제조 비용이 높다는 단점이 있으며 완전 충전까지 걸리는 시간이 길다. 한편 콘덴서 일종인 슈퍼 커패시터는 전기 이중층이라는 물리적 현상을 이용해 축전량을 크게 높였다. 내부 저항이 낮은층 방전 속도가 높아 충방전에 의한 열화가 적어 사용할 수 있는 수명이 길다.

슈퍼 커패시터를 전기 자동차에 사용하려는 아이디어 자체는 새로운 건 아니다. 엘론 머스크 테슬라 CEO 역시 2011년 미래 전기 자동차는 커패시터를 채택하게 될 것이라는 전망을 밝혔고 2019년 커패시터 기술 보유 기업을 인수하기도 했다.

연구팀은 슈퍼 커패시터 비용을 줄이기 위해 이산화망간을 이용했다. 이산화망간은 전극 제조에 널리 쓰이는 루테늄과 산화아연 등 다른 전이 금속 산화물보다 저렴하게 접근 가능하며 안전하다는 이유다.

다만 이산화망간은 전도성이 낮다는 단점이 있다. 연구팀은 과거 연구에서 리그닌이라는 목재를 펄프화할 때 추출하는 천연 고분자 소재에 전극의 전기 화학적 특성을 높이는 효과가 있다는 걸 확인했다. 리그닌은 제지 산업에서 목재를 펄프화할 때 대량 폐기물로 나오며 바이오매스 보일러 연료 등에 쓰인다. 이에 이산화망간과 리그닌을 함께 슈퍼 커패시터 전극으로 만들겠다는 구상을 한 것이다.

연구팀은 먼저 일반 소독제 과망간산칼륨에서 리그닌을 처리한 다음 열과 압력을 가해 리그닌에 이산화망간을 침착시켰다. 이 혼합물에 알루미늄판을 코팅해 전극을 형성, 알루미늄과 활성탄으로 전극을 만드는 사이 겔 전해질을 겹쳐 슈퍼 커패시터를 구성했다.

연구팀은 이 슈퍼 커패시터가 가볍고 유연성이 있으며 비용 효과가 높은 장점이 있다고 설명했다. 시험 결과 전기 화학적 특성도 안정적이며 수천 사이클에 걸쳐 능력을 유지하고 있다는 것. 또 다른 재료를 전극으로 사용한 것과 견줘도 성능이 앞선다.

다만 연구팀은 생체 재료를 에너지 저장 장치에 사용할 경우 해당 장치 수명과 성능에 심각한 영향을 미치는 전기적 특성을 제어하기 어렵다는 점을 주요할 필요가 있다고 밝혔다. 또 생체 재료를 사용하려면 독성이거나 위험한 화학 처리가 포함될 수 있는데 이번 슈퍼 커패시터는 뛰어난 전기적 성능을 제공하면서 안전하고 쉽고 훨씬 저렴한 비용으로 생산 가능하다는 것. 친환경 에너지 저장 장치를 만들어낼 수 있다는 것이다.

일반 차량의 가장 큰 장점 중 하나는 연료가 부족하면 곧바로 급유할 수 있다는 것이다. 충전 시간이 오래 걸리는 전기차에는 이런 점에서 항상 불안이 따라온다. 슈퍼 커패시터가 충전 시간을 크게 줄일 수 있다면 전기차 구입에 대한 심리적 장벽도 사라지게 될 수 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.