[미국] 연료 효율적인 자동차를 제조할 수 있게 하는 그래핀


미국 연구진은 자동차에 적용되는 란타늄 스트론튬 티타늄 산화물(lanthanum strontium titanium oxide, LSTO)에 그래핀을 첨가함으로써 탄소 배출량을 줄이고 버려지는 에너지를 재활용할 수 있다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 연료 효율적인 차세대 자동차를 개발하는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

자동차 엔진에서 생성된 열을 수집하고 이것을 자동차 배터리를 충전하거나 에어컨 시스템에 전력을 공급하게 하는 것은 차세대 하이브리드 자동차의 효율을 높이는데 크게 기여할 수 있다. 일반적인 자동차는 연료 소모로 발생된 에너지의 약 70%를 열로 손실한다. 이런 손실되는 에너지를 활용하기 위해서는 열을 전기로 변환시킬 수 있는 열전 재료가 필요하다.

열전 재료들은 열을 전기로 변환시킬 수 있다. 그러나 이런 재료들은 우수한 전기 전도성을 가지지만 열을 잘 소산시킬 수 있는 문제점도 가지고 있다. 또한 이런 특성들을 가진 재료들은 종종 독성을 가지고 자동차 엔진으로부터 생성되는 온도보다 더 높은 초고온에서 작동한다. 그래핀을 첨가함으로써, 차세대 복합 재료들은 자동차의 탄소 배출을 전반적으로 감소시킬 수 있다.

맨체스터 대학(University of Manchester)과 European Thermodynamics Ltd의 연구진은 자동차 산업에 폭넓게 사용될 수 있는 저렴한 열전 재료를 개발하는데 성공했다. 이번 연구진은 스트론튬 티타늄 산화물에 소량의 그래핀을 첨가했다. 생성된 복합물은 버려지는 열을 전류로 변환시킬 수 있다. “현재의 산화물 열전 재료들은 약 700 ℃의 작동 온도를 가진다. 이것은 낭비되는 열에너지를 활용함으로써 효율을 향상시키는 노력을 방해한다”고 Robert Freer 교수가 말했다.

이 연구결과는 기본 재료에 소량의 그래핀을 첨가함으로써 열전 재료가 저온에서 작동한다는 것을 증명했다. 나노복합물의 열전도성은 그래핀의 첨가로 감소하지만, 전기 전도성과 역률(power factor)은 상당히 증가했다. 이것은 0.6 wt %의 그래핀을 첨가할 때 ∼2500 μWm–1 K–2의 높은 역률을 상온에서 달성할 수 있다는 것을 의미한다. 가장 높은 열전 성능 지수(thermoelectric figure of merit)는 0.6 wt% 그래핀이 첨가될 때 >280%의 향상을 보였다.

“이 새로운 재료는 3~5%의 열을 전기로 변환시킬 수 있다. 이것은 자동차가 평균적으로 연료에서 공급되는 에너지의 대략 70%를 폐열과 마찰로 잃어버리기 때문에 적은 에너지가 아니다.” 이 연구결과는 저널 ACS Applied Materials and Interfaces에 “Thermoelectric Power Generation from Lanthanum Strontium Titanium Oxide at Room Temperature through the Addition of Graphene”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acsami.5b03522). 그래핀의 놀라운 특성들과 작은 크기는 재료를 통한 열전달을 느리게 하고, 이것은 낮은 작동 온도를 이끌 수 있게 한다.

성능은 그대로 유지하면서 연료 효율을 향상시키는 것은 자동차 제조업체에서 오랫동안 원하는 것이었다. 그래핀은 무게를 감소시키기 위해서 차체를 위한 복합 재료로 사용될 때 연비와 안전성 문제를 해결하는데 크게 일조할 수 있을 것이다.

그림. 스트론튬 티타늄 산화물 속에 소량의 그래핀을 첨가했을 때 생성되는 복합 재료의 이미지와 특성.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 10일]

 

Harvesting heat produced by a car’s engine which would otherwise be wasted and using it to recharge the car’s batteries or powering the air-conditioning system could be a significant feature in the next generation of hybrid cars.

The average car currently loses around 70% of energy generated through fuel consumption to heat. Utilising that lost energy requires a thermoelectric material which can generate an electrical current from the application of heat.

Thermoelectric materials convert heat to electricity or vice-versa, such as with refrigerators. The challenge with these devices is to use a material that is a good conductor of electricity but also dissipates heat well.

Currently, materials which exhibit these properties are often toxic and operate at very high temperatures – higher than that produced by car engines. By adding graphene, a new generation of composite materials could reduce carbon emissions globally from car use.

Scientists from The University of Manchester working with European Thermodynamics Ltd have increased the potential for low cost thermoelectric materials to be used more widely in the automotive industry.

The team, led by Prof Ian Kinloch, Prof Robert Freer and Yue Lin, added a small amount of graphene to strontium titanium oxide.

The resulting composite was able to convert heat which would otherwise be lost as waste into an electric current over a broad temperature range, going down to room temperature.

Prof Freer said: “Current oxide thermoelectric materials are limited by their operating temperatures which can be around 700 degrees Celsius. This has been a problem which has hampered efforts to improve efficiency by utilising heat energy waste for some time.

“Our findings show that by introducing a small amount of graphene to the base material can reduce the thermal operating window to room temperature which offers a huge range of potential for applications.

"The new material will convert 3-5% of the heat into electricity. That is not much but, given that the average vehicle loses roughly 70% of the energy supplied to it by its fuel to waste heat and friction, recovering even a small percentage of this with thermoelectric technology would be worthwhile.”

The findings were published in the journal ACS Applied Materials and Interfaces ("hermoelectric power generation from lanthanum strontium titanium oxide at room temperature through the addition of graphene"). Graphene’s range of superlative properties and small size causes the transfer of heat through the material to slow leading to the desired lower operating temperatures.

Improving fuel efficiency, whilst retaining performance, has long been a driving force for car manufacturers. Graphene could also aid fuel economy and safety when used as a composite material in the chassis or bodywork to reduce weight compared to traditional materials used.

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40965.php]