뮌헨 공과 대학(Technical University Munich) 연구팀이 고효율 그래핀 기반 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 개발했다. 슈퍼 커패시터는 전지로 사용하도록 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 커패시터로, 보통 교류전원으로부터 공급받아 충전해 두고 전원이 끊어진 경우에 전력을 공급할 목적으로 사용한다. 연구팀이 개발한 이 에너지 저장 장치의 기초는 현재 배터리 기술에 필적하는 성능을 가진 새롭고 강력하며 지속 가능한 그래핀 하이브리드 재료에 있다.
일반적으로 에너지 저장은 전자 장치에 에너지를 제공하는 배터리 및 축전지와 관련이 있다. 그러나 랩톱, 카메라, 휴대폰 또는 차량에서 소위 슈퍼 커패시터의 경쟁이 점점 치열해지고 있다.
배터리와 달리, 이들은 많은 양의 에너지를 매우 빠르게 저장하고 마찬가지로 빠르게 오프로드(offload) 할 수 있다. 예를 들어 기차가 역에 들어갈 때 제동을 거는 경우 슈퍼 커패시터는 에너지를 저장했다 출발하는 동안 기차가 매우 빠르게 많은 에너지를 필요로 할 때 다시 제공할 수 있다.
그러나 현재까지 슈퍼 커패시터의 한 가지 문제는 에너지 밀도가 부족하다는 것이었다.
뮌헨 공과 대학의 연구팀이 이제 개발한 것은 슈퍼 커패시터를 위한 그래핀 하이브리드 재료이다. 이 재료는 에너지 저장 장치에서 양극(positive electrode)을 수행한다. 연구팀은 이를 티타늄과 탄소를 기반으로 하는 이미 입증된 음극(negative electrode)과 결합하고 있다.
이 새로운 에너지 저장 장치는 최대 kg당 73kWh의 에너지 밀도를 달성할 뿐만 아니라, 이는 니켈-금속 수소화물 배터리의 에너지 밀도와 거의 동일할 뿐만 아니라 k당 16kWh의 전력 밀도에서는 대부분의 다른 슈퍼 커패시터보다 훨씬 우수한 성능을 발휘한다. 이 새로운 슈퍼 커패시터의 비밀은 서로 다른 재료의 조합에 있다. 이에 화학자들은 이 슈퍼 커패시터를 ‘비대칭’이라 부른다.
기본 재료를 결합한다는 추상적 아이디어가 뮌헨 연구팀에 의해 슈퍼 커패시터라는 실행으로 옮겨졌다. 이들은 화학적으로 변형된 그래핀이 있는 저장 장치의 새로운 양극을 사용하고 이를 MOF라 하는 나노 구조의 금속-유기 구조와 결합했다.
그래핀 하이브리드의 성능은 높은 전기 전도성뿐만 아니라, 큰 비표 면적(specific surface)과 제어 가능한 공극 크기를 기반으로 한다. 우수한 성능의 슈퍼 커패시터를 위해서는 넓은 표면이 중요하다. 이것은 전기 에너지 저장의 기본 원리인 재료 내에서 많은 수의 대전 입자(charge carriers)를 수집할 수 있도록 한다.
숙련된 재료 설계를 통해 연구원들은 그래핀 산(graphene acid)을 MOF와 연결하는 위업을 달성했다. 이것은 그램당 최대 900제곱미터의 매우 넓은 내부 표면을 제공한다.
그러나 신소재의 유일한 장점은 이것에 그치지 않는다. 화학적으로 안정적인 하이브리드를 얻으려면 구성 요소 간의 강한 화학적 결합이 필요하다. 결합이 더 안정적일수록 심각한 성능 손상 없이 더 많은 충전 및 방전 사이클이 가능하기 때문이다.
비교를 해 보자. 기존 리튬 전지의 수명은 약 5,000주기이다. 이번에 뮌헨 연구팀이 개발한 새로운 전지는 10,000번의 사이클 후에도 90%에 가까운 용량을 유지한다.
A team at the Technical University Munich has developed a highly efficient graphene- based supercapacitor. The basis of the energy storage device is a novel, powerful and sustainable graphene hybrid material that has comparable performance to current battery technology.
Usually, energy storage is associated with batteries and accumulators that provide energy for electronic devices. However, in laptops, cameras, cellphones or vehicles, so-called supercapacitors are increasingly competitive.
Unlike batteries, they can store large amounts of energy very quickly and offload it just as fast. If, for instance, a train brakes when entering the station, supercapacitors can store the energy and provide it again when the train needs a lot of energy very quickly while starting up.
However, one problem with supercapacitors to date is their lack of energy density.
The team at the Technical University Munich has now developed a graphene hybrid material for supercapacitors. It serves as the positive electrode in the energy storage device. The researchers are combining it with a proven negative electrode based on titanium and carbon.
The new energy storage device not only attains an energy density of up to 73 kWh/kg, which is roughly equivalent to the energy density of a nickel-metal hydride battery but also performs much better than most other supercapacitors at a power density of 16 kWh/kg. The secret of the new supercapacitor is the combination of different materials - hence, chemists refer to the supercapacitor as “asymmetrical.”
The abstract idea of combining basic materials was transferred to supercapacitors by the research team. They used the novel positive electrode of the storage unit with chemically modified graphene and combined it with a nano- structured metal-organic framework, a so-called MOF.
The performance of graphene hybrids is based on their large specific surface and controllable pore sizes as well as their high electrical conductivity. A large surface is important for good supercapacitors. It allows for the collection of a large number of charge carriers within the material which is the basic principle for the storage of electrical energy.
Through skillful material design, the researchers achieved the feat of linking the graphene acid with the MOFs. This provides a very large inner surface of up to 900 square meters per gram.
However, that is not the only advantage of the new material. To achieve a chemically stable hybrid, one needs strong chemical bonds between the components. The more stable the bonds, the more charging and discharging cycles are possible without significant performance impairment.
For comparison: A classic lithium accumulator has a useful life of around 5,000 cycles. The new cell developed by the TUM researchers retains close to 90 percent capacity even after 10,000 cycles.
