[한국에너지신문] 한전 전력연구원(원장 배성환)은 주파수조정용 에너지저장장치(ESS)에 사용할 수 있는 대용량 원통형 그래핀 슈퍼커패시터 단위 셀 시작품을 제작했다. 전력연구원은 비나텍, 한국과학기술연구원, 가천대학교와 공동으로 2016년부터 그래핀 슈퍼커패시터 핵심 요소기술과 실증용 모듈을 개발하고 있다.
그래핀 슈퍼커패시터는 기존 슈퍼커패시터의 활성탄 전극 대신 비표면적이 큰 그래핀 전극을 사용해 에너지밀도를 높인 차세대 에너지 저장장치다. 그래핀은 탄소원자들이 벌집모양으로 연결된 단층 구조의 재료로 2004년 영국 맨체스터 대학에서 흑연에서 떼어내는데 성공했다. 비표면적이 2630g/㎡으로 활성탄의 1500g/㎡에 비해 매우 크고 전기전도도와 기계적 강도가 향상된 투명 재료다.
슈퍼커패시터는 비표면적이 큰 활성탄 전극을 사용하여 축전 에너지양을 크게 증가시킨 축전지의 한 종류로 100사이클 이상의 고속 충방전을 할 수 있다. 수명이 반영구적이고 회로에서 전압이 가해졌을 때 전류의 흐름을 방해하는 값인 온저항값(임피던스)이 작아 우수한 성능을 보유하고 있다. 하지만 에너지 밀도가 전력계통에서 에너지저장용으로 사용되기에는 상대적으로 낮은 단점이 있었다.
전력연구원이 개발한 원통형 그래핀 슈퍼커패시터는 3000 F의 대용량이고, 기존 활성탄 슈퍼커패시터에 비해 최대 4.6배 이상의 에너지 밀도가 있다. 셀 기준 에너지밀도가 18.5 Wh/kg으로 기존 활성탄 슈퍼커패시터 4~5 Wh/kg에 비해 대폭 향상됐고, 출력 밀도 1500 W/kg 이상을 유지한다.
3000패럿(F)의 원통형 셀은 에너지저장장치에 적용하기 위한 가장 기본이 되는 단위 셀이다. 현재 이 셀 18개를 직렬로 연결하면 48V의 ESS 단위 모듈을 구성할 수 있다. 패럿은 전기용량의 단위로서, 1F은 1C의 전하를 주었을 때 전위가 1V가 되는 전기용량을 말한다.
전력연구원은 3000 F 원통형 셀을 활용해 ESS용 단위 모듈 시작품을 제작한다. 2020년에는 1100 V급 ESS를 제작하고 전력계통과 연계하여 성능을 검증할 예정아다.
연구원 관계자는 “그래핀 슈퍼커패시터는 고속 충방전이 가능하고 수명이 길어 현재 주파수 조정용 ESS에 사용되고 있는 리튬이온전지(LiB)와 병행 운전 시 ESS 수명을 최대 1.5배까지 향상시킬 수 있다”고 밝혔다.
