한전 전력연구원은 주파수조정용 에너지저장장치(ESS)에 사용할 수 있는 대용량 원통형 그래핀 슈퍼커패시터 단위 셀 시작품 제작에 성공했다.

한전 전력연구원은 비나텍(주), 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 저장장치이다.

그래핀은 탄소원자들이 벌집모양으로 연결되어 있는 단층 구조의 재료로 2004년 영국 맨체스터 대학에서 흑연에서 떼어내는데 성공했다.

비표면적이 2,630 m²/g으로 활성탄의 1500 m²/g에 비해 매우 크고 전기전도도와 기계적 강도 등도 크게 향상된 투명 재료이다.

슈퍼커패시터는 비표면적이 큰 활성탄 전극을 사용해 축전 에너지양을 크게 증가시킨 축전지의 한 종류로 100C(power/energy) 이상의 고속 충·방전이 가능해, 반영구적인 수명, 낮은 임피던스 등의 우수한 특성이 있으나, 전력계통에서 에너지저장용으로 사용되기에는 상대적으로 낮은 에너지밀도를 가졌다.

전력연구원이 개발한 원통형 그래핀 슈퍼커패시터는 3000F의 대용량이고, 기존 활성탄 슈퍼커패시터에 비해 최대 4.6배 이상의 에너지 밀도를 가졌다.

셀 기준 에너지밀도가 18.5Wh/kg으로 기존 활성탄 슈퍼커패시터(4~5 Wh/kg)에 비해 대폭 향상됐으며, 출력 밀도 1500W/kg 이상을 유지할 수 있다.

3000F의 원통형 셀은 ESS에 적용하기 위한 가장 기본이 되는 단위 셀로, 현재 이 셀 18개를 직렬로 연결하면 48V의 ESS 단위 모듈을 구성할 수 있다.

전력연구원은 본 3000F 원통형 셀을 활용해 ESS용 단위 모듈 시작품을 제작할 계획이며, 향후 2020년에는 1100V급 ESS를 제작하고 전력계통과 연계해 성능을 검증할 예정이다.

그래핀 슈퍼커패시터는 고속 충·방전이 가능하고 수명이 길어 현재 주파수 조정용 ESS에 사용되고 있는 리튬이온전지(LiB)와 병행 운전 시 ESS의 수명을 최대 1.5배까지 향상시킬 수 있을 것으로 기대했다.