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슈퍼커패시터, 새로운 전기차 충전의 시대 열까?

  • 작성일 2023.11.24
  • 조회수 468

아파트 단지나 개인 주택, 혹은 볼 수 있는 전기차 충전기. 충전기가 부족하여 불편을 겪었던 지난날과는 달리, 현재 우리나라의 전기차 충전기는 1기당 전기차 1.9대인 것으로 드러났습니다. 하지만 국내 전기차 충전기는 부지를 확보하기 쉬운 공공시설에 주로 보급되어 있고, 급속 충전 수요가 높은 고속도로 휴게소 같은 곳에서는 여전히 충전기가 부족하다는 단점이 존재합니다. 특히 해외의 경우 충전 인프라에 대한 고민이 더욱 깊어지고 있는데요. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 지난해 유럽은 충전기 1기당 전기차의 대수는 13대, 중국은 8대를 기록했기 때문이죠.

주차장 벽면에 전기차 충전기가 된다?

그러나 최근 전기차 충전 인프라에 큰 영향을 끼칠 기술이 하나 개발되었습니다. 바로 건물이나 주차장 벽면·바닥이 전기에너지를 공급할 수 있는 콘크리트 소재 기술입니다. 지난 7월, 프란츠 요제프 울름 미국 메사추세츠공대(MIT) 토목환경공학과 교수 연구팀은 ‘카본 블랙’이라는 탄소 분말과 시멘트를 이용한 슈퍼커패시터를 개발하고, 이에 따른 연구 결과를 발표했습니다.

슈퍼커패시터(Super Capacitor)는 ‘뛰어난’이라는 뜻을 가진 단어 ‘Super’와 ‘축전지’라는 뜻을 가진 ‘Capacitor’의 합성어입니다. 이에 따르면 뛰어난 축전지, 즉 축전 용량이 매우 큰 축전지를 뜻합니다. 슈퍼커패시터는 화학반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 기존 배터리와는 달리, 전극과 전해질 계면으로 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 에너지 저장장치입니다.

슈퍼커패시터는 이온 전도성 전해질과 분리막으로 구성된 두 개의 전기 전도성 판을 갖고 있습니다. 장치가 충전되면 하나의 판에는 전해질에서 양전하를 띠는 이온, 다른 판에는 음전하를 띠는 이온이 축적되는데요. 여기서 저장된 전력의 양은 판의 표면적에 따라 달라지게됩니다. 그말인 즉슨, 슈퍼커패시터의 규모가 커지면 커질수록 저장할 수 있는 전력의 양 또한 커진다는 것이죠. 바로 이 사실에 주목한 연구팀은 콘크리트나 탄소복합재 등의 재료를 활용할 방법을 생각해냈습니다. 콘크리트로 이뤄진 집이나 도로 크기의 슈퍼커패시터가 만들어진다면 에너지를 언제 어디서든 공급할 수 있게 되기 때문이죠.

전기차 인프라, ‘카본 블랙’으로 해결될까

하지만 문제점이 하나 있습니다. 바로 콘크리트의 주요 성분인 시멘트의 전기 전도성이 약하다는 점인데요. 이를 해결하기 위해 과학자들은 탄소 나노튜브나 그래핀처럼 전도성이 높은 탄소를 섞어 건축용 슈퍼커패시터를 만들었습니다. 하지만 그래핀이나 탄소 나노튜브는 가격이 비싸다는 치명적인 문제가 있었고, 대량 생산하여 산업 용도로 쓰기에는 무리가 있었습니다.

이에 연구팀이 해결 방법으로 생각한 것은 바로 ‘카본 블랙’을 활용하는 것이었습니다. 카본 블랙은 미세한 탄소 분말로, 흑연보다 규칙성이 낮은 결정성 물질인데요. 전 세계 곳곳에서 채굴할 수 있는 풍부한 자원이자, 가격도 비싸지 않은 소재이기에 주로 자동차 타이어, 고무 제품의 강화제, 인쇄용 잉크, 페인트 등에 쓰이곤 합니다. 연구팀은 카본 블랙을 시멘트 가루, 물과 섞은 다음 두께 1mm 넓이 1cm의 작은 판으로 잘랐습니다. 여기에 염화칼륨으로 만든 전해질 막과 물을 추가해 샌드위치 구조를 만들어 밀봉한 다음 전선을 연결하자 전기 에너지가 공급되었죠. 연구팀은 이를 45㎥ 크기로 제작한다면 가정에 하루동안 공급할 수 있는 전력량인 10kWh를 저장할 수 있다고 밝혔습니다. 만약 도로에 적용할 경우, 구리 코일을 내장해 도로 위 자동차에 즉각적으로 전기 에너지가 전달되도록 만들 수 있는 것입니다. 마치 스마트폰을 무선 충전기 위에 올려놓듯 말이죠.

하지만 연구팀은 이 기술을 상용화하려면 현재 단추 크기에 불과한 장치의 크기를 키우고, 크기가 커져도 충분한 성능을 확보할 수 있는 기술을 개발해야 한다는 한계점을 밝혔습니다. 장치의 크기가 커지면 전기 전도성이 떨어질 가능성이 있기 때문이죠. 만약 이 기술적 한계가 극복된다면 저렴하게 전력을 지속 공급받을 수 있게 되며, 전기차는 주행 중에 배터리를 충전할 수 있게 됩니다. 전기차 충전 인프라 미흡으로 전전긍긍하는 차주들의 고민이 해결되는 것이죠.

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이제 전세계적으로 전기차 수요가 급증하고,
미래 산업의 전동화와 무선화로 인해
모든 사물이 배터리로 움직이는 시대가 다가오고 있습니다.

만약 콘크리트 소재로 전기 에너지를 충전할 수 있게 된다면
추후 생겨날 수많은 스마트화 사물이 충전의 편리함으로 인해 빠르게 상용화되고,
사람들은 더 편리하게 변화된 환경을 누릴 수 있겠죠.
기술의 발전이 빚어낸 편리한 세상의 모습은 어떠할지, 그 미래가 기대됩니다.

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