[데일리비즈온 김소윤 기자] 친환경차 관련 연구는 계속 진행 중이다. 전기차의 경우 전기 배터리 충전 시간을 감축시키거나 효율을 늘리는 연구가, 수소차에 대해선 수소 생산 효율을 높이는 방법 등이 다양하게 진행 중이다.

◆물·기름·전분 섞어 가열해 전기차 주행거리 늘릴 소재 탄생

최근 키스트 에너지저장연구단 정훈기 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고 5분 만에 80%이상 급속충전이 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다.

연구팀은 개발한 음극소재를 전기차에 적용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 크게 늘어날 것으로 보고 있다. 현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하는데 전지 용량이 적어 내연기관차보다 주행거리가 짧다.

실리콘은 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 상용화에 어려움이 있었다. 충·방전이 반복되면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어든다는 점 때문이다. 그간 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이고자 여러 방법이 제시됐는데 고비용이 들고 공정이 까다로워 흑연을 대체하지 못했다.

정 박사팀은 이에 실리콘 안정성을 높이고자 물, 기름, 튀김(전분) 등 일상에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료를 이용했다. 물에 전분을 풀고 기름엔 실리콘을 풀어서 섞어 가열했다. 이 결과 탄소-실리콘 복합소재가 만들어졌다.

개발된 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량을 보였다. 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성도 나타냈다. 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제하여 실리콘 소재의 안정성을 높일 수 있었다. 또 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻은 것이다.

◆물 분해해 수소 얻는 과정에서 저렴한 촉매 이용할 수 있는 시스템 개발

유니스트 류정기 교수팀은 수소를 효율적으로 생산해낼 방법을 개발했다. 최근 유니스트에 따르면 이들은 폐목재 같은 바이오매스가 분해되는 과정에서 생성되는 ‘전자’를 이용해 수소를 생산하는 기술을 찾았다.

이 시스템은 몰리브덴 기반 촉매로 리그닌을 분해해 고부가가치 화합물을 생산하고 이 과정에서 추출된 전자를 이용해 수소도 효과적으로 생산한다.

수소는 물을 전기적으로 분해해 얻는다. 물 전기분해 과정에서 수소 이온이 전자를 얻어서 수소기체가 된다. 이 때 나오는 ‘산소발생반응’이 매우 느리고 많은 에너지가 필요하다는 문제가 있다. 때문에 고가의 촉매(백금 등)가 필요하다.

이번에 개발한 바이오연료 시스템에서는 이 ‘산소발생반응’ 대신 리그닌을 분해하는 반응을 통해서 필요한 전자를 얻는다. 또 이 과정에서 바닐린과 일산화탄소 같이 각종 산업공정에 유용하게 쓰일 수 있는 화합물을 얻을 수 있다.

일반적으로 리그닌의 분자구조는 복잡해 쉽게 분해하기 어렵다. 연구팀은 귀금속 촉매에 비해 훨씬 저렴한 몰리브덴 기반 촉매를 이용해서 저온에서 쉽게 분해 할 수 있었다. 분해에 필요한 전기에너지도 귀금속 촉매를 이용해 물을 분해 할 때 보다 훨씬 적었다.