목재폐기물로 '슈퍼커패시터(에너지소자)' 만든다

리그닌과 그래핀의 결합, 차세대 에너지 저장소자 실현 앞당길 듯

[아시아경제 정종오 기자]목재 폐기물에서 추출되는 '리그닌'과 꿈의 신소재로 불리는 '그래핀'이 결합해 재생 가능한 에너지 저장용 전극 소재가 개발됐다. 국내 연구팀이 목재 폐기물 바이오매스(지구에 존재하는 햇빛, 물, 공기에 의해 자연적으로 생성·소멸되는 유기성 자원)로부터 생체고분자인 리그닌(목재를 구성하는 주성분으로 목재의 강도를 유지시켜주는 역할)을 추출한 뒤에 이를 꿈의 신소재인 그래핀과 결합시켰다. 이를 통해 에너지 저장용 전극 소재를 만들어 냈다. 지금의 활성탄 전극 소재와 비교했을 때 높은 용량과 출력, 장기 내구성을 동시에 가진다.

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.

최근 리튬이차전지와 함께 차세대 에너지 저장소자로 부상하고 있는 것이 슈퍼커패시터이다. 슈퍼커패시터(supercapacitor)는 전극과 전해질의 계면에서의 전기화학적 반응에 의해 에너지를 충전하는 에너지 저장 소자이다. 리튬이차전지에 비해 높은 출력, 빠른 충·방전 속도 및 장기안정성의 장점을 가지고 있다.

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.

목재 폐기물에서 추출된 리그닌(lignin)은 목재 중 30~40%를 차지하고 있는 고분자 물질이지만 목재 내에 함께 존재하는 셀룰로오즈와 달리 거의 활용되지 못하고 대부분 폐기된다. 재생 가능한 유기물 기반의 친환경 전극 소재를 개발할 수 있는 원천기술을 확보하기 위해 버려지는 목재 폐기물로부터 리그닌 소재를 추출했고 이를 꿈의 신소재인 그래핀과 나노스케일에서 하이브리드화 시킴으로써 고용량 전극 소재를 개발한 것이다.

'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.

▲리그닌 나노결정.[사진제공=미래부]

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr