[특별기획] 에너지 변환 및 저장용 전극소재 개발 동향

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 30, No. 4, 2012…421

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인류는 미래의 에너지로 무엇을 선택할 것인가?

화석연료를 사용할 때 필연적으로 발생하는 이산화탄소배출과 이에 따른 지구온난화를 비롯한 환 경문제, 유한한 자원인 화석연료의 수급문제를 해결하기 위한 다양한 대안이 현재 제시되고 있다.

최근들어 수소에너지, 태양에너지, 풍력에너지등 신재생에너지의 사용이 늘어가고 있으며 우리가 원 하는 형태의 에너지로 변환을 고효율로 할 수 있는 기술개발이 이루어지고 있다. 그리고 에너지의 생산과 소비간의 시간적 불균형을 해결하기 위한 에너지 저장기술의 개발이 미래에 사용가능한 에너 지의 지속성과 품질 및 효율을 결정하는 핵심요소로 구분된다.

전기화학 원리를 이용한 에너지 변환과 저장 장치로 연료전지, 이차전지, 슈퍼커패시터가 있으며 전기자동차, 연료전지자동차, 스마트 그리드용 대용량 전력저장장치(ESS), 모바일기기의 전원에 이 용되고 있다. 전기자동차 및 모바일 IT기기의 전원으로 사용되는 리튬이온 이차전지의 시장규모는 2015년 320억불 규모로 폭발적 성장이 예상되고 있지만, 자동차용 전원은 주행거리, ESS는 가격경 쟁력이 문제로 제시되고 있다. 기술적으로 이차전지 연구개발 방향은 고용량, 초박형 대면적화, 고안 정성을 중심으로 진행되고 있으며 빠른 시간 내에 충방전하는 기술의 필요성이 커지고 있다. 연료전 지의 경우 2020년 세계시장규모가 400억불 규모로 추산(미국DOE 예상)되며 2015년을 수소연료전 지자동차 대중화 원년으로 선언한 자동차 회사들의 관련 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 또한 수퍼커패시터는 고출력방전이 가능하며, 작동온도범위가 넓고 신뢰성이 우수하여 기존의 배터리의 단점을 보완하거나 함께 사용하여 상호간에 발생하는 기술적 문제를 해결할 수 있는 에너지 저장장 치로서 응용범위를 확대해 가고 있다.

위와 같은 에너지 변환 및 저장 기술의 기반이 되는 전기화학전지는 크게 3가지 핵심구성요소로 이루어져 있으며, 이는 전자가 생성되는 애노드, 전자가 함몰되는 캐소드 그리고 전해질로 나뉜다.

본 기획에서는 에너지를 가지고 있는 전자의 생성과 소멸이 일어나는 장소이며 전지의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 전극소재를 중심으로 이차전지의 양극과 음극, 연료전지의 전극 그리고 슈퍼커패 시터 전극의 연구개발 동향에 대하여 소개하고자 한다.

탁 용 석

인하대학교 생명화학공학부 [email protected]