글: Jeremy Cook
태양열이나 풍력 같은 재생 에너지원으로 전환하기 위해서는 새로운 에너지 저장 방식이 필요합니다. 구름은 한 번에 며칠 동안 태양을 가릴 수 있고 밤에는 태양열을 전혀 이용할 수 없으며, 바람은 훨씬 더 변덕스러울 수 있습니다. 저장이라는 방법은 불기피한 발전 격차를 타파해주고 전기 사용량의 국지적인 급증을 보완해줍니다.
오늘날의 리튬-이온 배터리는 매우 훌륭하지만 너무 빨리 충전되고 방전될 수 있으며 수명이 제한적입니다. 그리고 리튬을 추출하는 것도 환경에 미치는 영향때문에 복잡합니다. 현재 미국의 리튬 생산량은 전 세계 리튬의 1% 미만으로, 생산 병목 현상이 발생할 수 있습니다.
신속한 에너지 입력과 출력이 가능하도록 현재의 배터리 저장 용량을 늘리기 위해 리튬-이온 배터리에 비해 훨씬 더 빠른 속도와 빈도로 충전/방전이 가능한 수퍼커패시터가 현재 사용되고 있습니다. 일부 분야에서는 그래핀 배터리 기술 또는 그래핀 기반 수퍼커패시터가 리튬 배터리의 대안이 될 수 있을 것입니다.
순시전력 및 장기 에너지 공급
수퍼커패시터의 커다란 장점은 고전력 성능입니다. 단점은 전체 에너지 밀도가 낮다는 것입니다. 이 속성들은 서로 상충하는 것 같지만 이 두 용어의 정의를 생각해 보십시오.
전력 = 작업/시간, SI 단위로 표현하면 줄(joule)/초
에너지 밀도 = 저장된 에너지/부피, SI 단위로 표현하면 줄(joule)/m^3
분자의 단위는 같지만 이 둘은 별개의 양입니다. 전력은 특정 시간 동안 일정한 양의 에너지를 방출하는 힘이고, 에너지 밀도는 시간에 관계없이 특정 양의 에너지를 저장하는 힘입니다.
두 가지 값이 모두 높으면 가장 좋겠지만 수퍼커패시터는 일반적으로 전력 방전 용량이 크고 에너지 밀도가 낮습니다. 따라서 슈퍼커패시터는 순간적으로 엄청난 양의 에너지를 생산할 수 있지만 이 정도의(또는 더 적은) 에너지 출력을 리튬-이온 배터리만큼 오랫동안 유지할 수는 없습니다. 요즘에는 방대한 양의 에너지 입력 또는 소비를 안정화하기 위해 수퍼커패시터를 사용하는 경우가 종종 있으며(예: 회생 제동, 급가속), 에너지가 장기적으로 필요할 때는 배터리를 사용합니다.
문제는 수퍼커패시터 에너지 밀도를 늘리면서 탁월한 순시전력 용량을 계속 유지하는 것입니다. 그 해답을 그래핀이라는 놀라운 소재의 형태에서 찾을 수 있습니다.
그래핀 에너지 저장이 우리의 미래입니까?
수퍼커패시터는 일반적으로 활성탄으로 코팅된 금속박으로 되어 있는 음극층과 양극층을 사용하며 이 두 층은 전해액이 담겨 있는 반투과성막으로 분리되어 있습니다. 이 탄소/막 샌드위치 형상의 층들을 커패시터 하우징 안에 말아넣거나 쌓아서 전해액 내의 이온 이동에 의해 전하를 저장하게 됩니다.
이를 위해 활성탄을 아주 얇게 약 1/10mm 두께로 만들 수 있지만 표면적은 0.1mm 입자당 몇 제곱 센티미터로 넓습니다. 그러나 그래핀은 원자 1개 두께의 2D 분자들의 시트로 되어 있으며 활성탄과 유사한 비표면적을 갖습니다. 이것을 초밀집 도체 배열을 위해 아주 얇은 층으로 펼칠 수 있습니다. 그래핀은 훌륭한 전도체로, 열 손실이 매우 적고 이론상 전기를 전달하는 능력이 활성탄 수퍼커패시터보다도 더 우수합니다.
문제는 그래핀 커패시터를 대량으로 생산하는 것입니다. 하지만 과학자들은 그래핀의 가능성을 보고 이러한 형태의 구현을 비공개로 연구하고 있습니다. 그래핀으로 인해 리튬-이온 배터리가 완전히 사라지지는 않겠지만, 그래핀을 이용해서 수퍼커패시터를 개선한다면 이 전력 저장 장치의 에너지 밀도와 효율성을 더 높이는 데 도움이 될 수 있을 것입니다.
그 밖에 더 발전된 저장 방법들... 여전히 탄소?
현재 개발 중인 발전된 저장 방법이 그래핀만 있는 것은 아닙니다. 에너지 저장을 위해 탄소 나노튜브(그래핀 시트와 반대로 탄소 분자들을 긴 원통형으로 배열한 형태)를 사용하는 방법도 제시되었습니다. 탄소를 이용하여 에너지를 저장하는 방법으로 그래핀 볼과 곡선/구겨진 그래핀도 있습니다.
전력의 제어
방대한 양의 전력을 공급하는 것도 좋지만 전력이 적절하게 사용되도록 제어를 해야 합니다. 이를 위해 SiC 트랜지스터를 사용할 수 있습니다. 이와 함께, 전류 측정 기술을 구현하여 전력과 에너지의 사용이 적절하게 이루어지도록 해야 합니다.
흥미롭게도, 실리콘과 더불어 탄소를(그리고 이 두 가지를 결합하여) 다양한 형태로 더 발전시켜 만드는 것이 에너지 관리를 위한 미래의 트렌드가 될 것 같습니다. 지금의 난제는 이론상으로 또는 소규모로 작동할 수 있는 아이디어를 선택해서 이것을 우리 삶을 더 나아지게 해주는 일상적인 제품으로 강화하는 것입니다. 이러한 기술들을 완벽하게 해서 구현할 경우 성능이 훨씬 더 우수한 장치들을 이용하고 에너지 효율이 더 높은 미래를 예측해볼 수 있을 것입니다.
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