목재 폐기물 이용한 친환경 에너지 저장 전극 소재 개발

박호석 교수팀, 바이오매스 응용기술 적용

박호석 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 목재 폐기물을 이용해 친환경 에너지 저장 전극 소재를 개발했다.

미래창조과학부는 박호석 경희대학교 교수팀, 한국과학기술연구원(KIST) 이현주 박사팀, 이상복 미국 메릴랜드 대학교 교수팀이 목재 폐기물 바이오매스로부터 생체고분자인 리그닌을 추출 후 그래핀과 하이브리드화해 재생 가능한 에너지 저장용 전극 소재를 세계최초로 개발했다고 6일 밝혔다.

이 전극 소재는 현재 상용화된 활성탄 전극대비 높은 용량과 출력, 장기 내구성을 동시에 달성할 수 있는 것이 특징이다.

미래부와 한국연구재단이 시행하는 기후변화대응기술개발사업 지원을 받아 수행한 연구결과는 에너지․환경 분야 국제학술지 켐서스켐 4일자 온라인 판에 백커버 논문으로 게재됐다.

이번 성과는 목재 폐기물로부터 저렴하고 재생 가능한 유기물 기반 친환경 전극 소재 개발기술을 확보해 향후 신시장 개척에 기열할 것이라는 평가를 받는다.

기존 무기물 기반의 이차전지 소재는 값이 비싸고 재생이 어렵다는 경제적․환경적 문제점이 있다.

현재 상용화된 활성탄 전극은 제조 과정에서 900℃ 이상의 고온의 탄화과정과 추가적인 활성화과정을 거쳐야 하고 전극 기준 용량이 제한돼 있어 다양한 소재개발 연구가 진행돼 왔다.

박 교수팀은 폐기돼 버려지는 목질계 바이오매스 내 존재하는 리그닌 나노결정을 2차원 나노신소재인 그래핀과 하이브리드화시켜 고용량, 빠른 충․방전, 장기 내구성을 갖는 재생 가능 친환경 슈퍼커패시터용 전극소재를 개발했다.

슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면에서 전기화학적 반응에 의해 에너지를 충전하는 에너지 저장 소자로 리튬이차전지에 비해 높은 출력, 빠른 충․방전 속도 및 장기안정성의 장점을 가지고 있다.

리그닌-그래핀 전극은 생체시스템에서 발견할 수 있는 산화․환원 반응을 리그닌에서 구현해 충전용량을 활성탄 전극(축전용량 값 200F/g 이하)의 2배 이상인 432F/g까지 증가시켰고 그래핀 본연의 우수한 전기적 특성, 넓은 표면적, 전기화학적 안정성을 이용해 높은 출력과 장기내구성을 동시에 달성할 수 있었다.

전극은 리그닌 골격에 있는 퀴논 그룹은 자연계에서 관찰할 수 있는 표면 산화․환원 반응에 의해 전하를 발생시키고 발생된 전자는 전기적 특성이 우수한 그래핀으로 이동해 이론 용량의 90%에 육박하는 높은 용량을 발현할 수 있다.

박 교수는 “리그닌을 이용한 전극 활물질을 개발해 바이오매스 분야에 새로운 응용 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

그래핀-리그닌 하이브리드 및 에너지 발현 모식도. 연구팀은 목재폐기물로부터 추출된 리그닌 고분자를 그래핀 산화물과의 강한 비공유 결합에 의한 자기조립을 통해서 하이브리드화하고 환원과정을 통해 전극으로 조립해 새 하이브리드형 전극소재를 개발했다.