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전해질 첨가제로 최초 장수명 배터리 기술 개발
1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고에너지밀도 전지가 필수적이다. 팩 단위*에서 고에너지 밀도가 확보 가능하다는 장점이 있는 리튬인산철 양극은 낮은 전자전도도를 가져 계면층을 형성하기 어렵다는 단점이 있다. KAIST 연구진이 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도도를 개선한 전해질 첨가제를 개발하여 화제다.
*팩단위: 현재 전기차용 배터리는 단일 전지(Cell)를 적층하여 배터리 관리시스템(BMS)과 냉각장치가 포함된 모듈(Module)을 구성하고, 이를 다시 모아 관리시스템으로 구성한 팩(Pack)으로 구성되어 있음
우리 대학 생명화학공학과 최남순 연구팀이 저비용 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 수명 횟수를 늘린 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
기존 전해질 첨가제 연구는 주로 흑연 음극을 보호하기 위해 설계돼 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 전해질 부반응이 억제되고 수지상 리튬(Li dendrite)이 성장하지 않게 하도록 낮은 전자전도도를 갖는 계면층을 형성시켰다.
이와 다르게 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 흑연 음극을 보호함과 동시에 삼성분계 양극*과는 달리 발열 특성이 낮아 셀 투 팩(Cell To Pack) 기술**도입 가능한 리튬인산철 양극을 보호하며 양극 표면에서 전자전도도와 이온전도도의 균형을 맞추는 데 성공했다. 이는 배터리 충·방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.
*삼성분계 양극: LiNixCoyMn1-x-yO2(NCM) 화학식으로 표현되는 층상형 양극재의 한 종류로서, 니켈함량이 높을수록 양극 가역 용량이 높아져 배터리 용량을 증가시키나 발열량이 증가하고, 비가역적인 전극 열화에 취약한 한계를 가짐.
**셀 투 팩 기술: 높은 안정성을 가진 리튬인산철 양극 사용하여 단일 셀로 팩을 구성하는 기술로 모듈을 생략하여 팩 단위에서 높은 에너지밀도를 가짐.
개발 기술은 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재 밀도를 가진 흑연 음극과 리튬인산철 양극을 사용해 배터리의 상온 및 고온 장수명을 실현했다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 리튬인산철용 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시했다는 점에서 그 의미가 크다고 하겠다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 생명화학공학과 문현규 연구원은 "개발된 전해질 첨가제는 내열성과 전도성이 우수한 전극 계면 층을 형성해 리튬인산철 양극과 흑연 음극으로 구성된 전지의 구동 온도인 45도 500회, 25도 1,000회 충·방전 후에도 각각 초기용량의 80.8%, 73.3%를 발현했으며, 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교하여 각각 20.4%, 8.6% 향상된 수치이다. 현재 전기차용 전지가 약 10년 수명을 보장하므로 개발한 본 첨가제를 적용한다면 10~20% 향상된 11년에서 12년 수명을 보장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 또한, 리튬인산철 양극의 낮은 전자전도 특성을 개선해 고속 충전 조건에서도 효과가 있었다ˮ 라고 말했다.
최남순 교수는 “이번 성과는 리튬인산철 양극을 보호하는 전해질 첨가제 기술로 이온전도와 함께 전자전달이 가능한 양극 계면층을 형성하는 것이 전해질의 상한한계전압보다 낮은 충전전압조건을 가진 배터리 성능을 확보하는 핵심기술이다”라고 연구의 의미를 강조했다. 그뿐만 아니라 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 상온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면층을 형성하는 전해질 첨가제 기술로 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다고 밝혔다.
이번 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 김동욱(現 LG에너지솔루션) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당했다. KAIST 홍승범 교수와 박건(現 LG에너지솔루션) 연구원은 전도성 원자현미경(C-AFM) 분석을 통해 전해질 첨가제가 적용된 리튬인산철 양극 표면에서의 전자전도도를 나노스케일로 영상화했다.
한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 `어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)'에 5월 9일 字로 온라인 공개됐다. (논문명 : Balancing Ionic and Electronic Conduction at the LiFePO4 Cathode–Electrolyte Interface and Regulating Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries).
한편 이번 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.
2024.05.16 조회수 4098 -
4.55V 고전압 리튬이온전지 전해액 기술 개발
전기차 시대의 가속화에 따라 1회 충전에 긴 주행거리를 가능하게 하는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발과 더불어 빠르게 충전을 할 수 있는 고속 충전 기술 개발의 중요도가 커지고 있다.
우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 고전압 조건에서 리튬이온전지의 높은 효율과 에너지를 유지하고 고속 충전이 가능한 전해액 설계 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 개발된 전해액은 점도가 낮으면서 고전압에 안정적인 용매를 사용하였으며 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬이온전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다.
최남순 교수 연구팀은 상용 리튬이온전지에 사용되고 있는 카보네이트 계열의 용매 대신 점도가 낮고 고전압 조건에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호 기술을 적용해 기존 연구 결과보다 현저하게 향상된 *가역 효율 (99.9% 이상)을 달성했다.
☞ 가역 효율 : 매 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나누어 백분율로 나타낸 값으로 배터리의 가역성을 의미함. 가역 효율이 높을수록 매 사이클마다 배터리 용량 손실이 적음을 의미함. 아무리 높은 용량을 구현하는 배터리라도 가역성이 높지 않다면 실용화가 어려움.
또한, 첫 사이클 방전 기준 용량 대비 200 사이클에서의 방전 기준 용량까지를 용량 유지율 측정하였는데 개발된 전해액 기술은 고온 (45도)에서 4.5 V의 충전 전압 조건에서 89.9%의 높은 용량 유지율을 보였으며 4.53 V의 충전 전압 조건에서도 77.0%의 높은 용량 유지율을 보였다. 개발 전해액 조성의 경우 기존 상용 최고 수준 기술 대비 약 10~15% 이상의 높은 용량 유지율을 보여줬다. 뿐만 아니라, 4.55 V의 혁신적인 충전 전압 조건에서도 200회 사이클 후 61.7%의 높은 용량 유지율을 보여주는 등 우수한 수명 특성을 보여줬다.
이번 연구에서 개발된 전해액 설계 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 4.5 V 이상의 고전압 그리고 1.5C (45분 충전)의 빠른 충전 조건에서 극대화된 성능을 얻었다는 점에서 그 의미가 크다. 여기에 더해 60도 고온 저장에서도 저장 성능이 향상됨도 확인했다. 특히 고에너지밀도 리튬이온전지용 전해액 기준 프레임을 제시한 바, 이는 리튬이차전지 전해액 설계에서 새로운 기준이 될 것이라고 연구진은 설명했다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 “높은 산화안정성 및 저점도 특성을 가지는 용매 적용에 따른 고전압 안정성 및 고속 충전 특성 향상과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과에 의해 기존에 보고된 리튬이온전지용 전해액 기술 개발의 한계를 뛰어넘는 기술을 개발하게 됐다ˮ라고 말했다. 또한, “상용 리튬이온전지에서 사용하는 수준의 높은 로딩의 리튬 코발트 산화물 양극을 사용하여 전지의 수명 특성을 극대화했기 때문에 산업에의 빠른 적용 및 향후 고에너지밀도 전지 시스템 설계에 있어 이정표로 작용할 수 있을 것이다”라고 전했다.
최남순 교수는 "개발된 전해액 기술은 상용 용매로 사용되고 있는 카보네이트 유기용매의 부족한 고전압 내구성을 에스테르 용매로 획기적으로 극복하였으며 이를 통해 배터리 충전과정에서 가스 발생을 최소화하는 고전압 전해액 시스템을 구축했다ˮ라고 말했다. 또한, "이러한 고전압 용매 조성과 전해액 첨가제 조합 기술은 리튬이온전지의 한계 에너지밀도를 끌어올리기 위한 전해액의 고전압화를 위한 돌파기술이라는 점에서 그 의미가 크다고 하겠다ˮ라고 연구의 의미를 강조했다.
이번 연구에서 생명화학공학과 최남순 교수와 김세훈, 이정아 연구원은 리튬이온전지의 고전압 구동을 위한 새로운 전해액 조성 기술을 개발하고 이에 대한 효과를 검증하였으며 작동 메커니즘을 규명하였다. 경상국립대학교 나노신소재융합공학과 (나노·신소재공학부 고분자공학 전공) 이태경 교수와 이동규, 손준수 연구원은 전해액 용매 및 첨가제의 작동 메커니즘을 계산화학을 통해 구체화하는 연구를 진행하였다. 이번 연구는 저명한 국제 학술지 `에이시에스 에너지 레터즈 (ACS Energy Letters)'에 1월 12일자로 발간되었으며 커버 논문으로 선정되었다 (논문명 : Designing Electrolytes for Stable Operation of High-Voltage LiCoO2 in Lithium-Ion Batteries).
이번 연구 수행은 삼성 에스디아이 (Samsung SDI)의 지원을 받아 수행됐다.
2024.02.06 조회수 5286 -
세계 최고 전기차 이차전지 수명 획기적 연장
전기차 시대의 가속화에 따라 1회 충전에 긴 주행거리를 가능하게 하거나 전 세계 평균 기온에 속하는 넓은 온도 범위(-20~60도)에서 충전과 방전을 할 수 있는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발의 중요도가 커지고 있다.
우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지의 높은 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 개발된 전해액은 기존에 보고되지 않은 새로운 *솔베이션 구조를 형성했으며 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다.
☞ 솔베이션 구조 : 일반적으로 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는데 이를 솔베이션 구조라고 함. 이러한 솔베이션 구조 개선 기술은 염 농도를 증가시키지 않고 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 인자임.
최남순 교수 연구팀은 기존에 보고된 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 전해액들과는 달리 넓은 온도 범위(-20~60도)에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호기술을 적용해 기존 연구 결과보다 현저하게 향상된 *가역 효율 (영하 20도 300회 99.9%, 상온 200회 99.9%, 고온 45도 100회 99.8%)을 달성했다.
☞ 가역 효율 : 매 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나누어 백분율로 나타낸 값으로 배터리의 가역성을 의미함. 가역 효율이 높을수록 매 사이클마다 배터리 용량 손실이 적음을 의미함. 아무리 높은 용량을 구현하는 배터리라도 가역성이 높지 않다면 실용화가 어려움.
또한, 완전 충전-완전 방전조건에서 첫 사이클 방전 기준 용량 80%가 나오는 횟수까지를 배터리 수명으로 보고 있는데 개발된 전해액 기술은 상온(25도)에서 200회 충·방전 후에 첫 번째 사이클의 방전용량 대비 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였다. 또한, 고온(45도)에서 100회 충·방전 후 91.5% 발현, 저온(영하 20도) 구동에서도 300회 충·방전 후 72.1% 발현하는 등 완전 충전-완전 방전조건에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율을 보여줬다.
이번 연구에서 개발된 새로운 솔베이션 구조를 가지는 전해액(partially and weakly solvating electrolyte; PWSE) 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 영하 20도에서 60도의 넓은 온도 범위에서 극대화된 성능을 얻었다는 점에서 그 의미가 크다. 여기에 더해 60도와 80도 고온 저장에서도 저장 성능이 유지됨도 확인했다. 특히 리튬금속 전지용 전해액 기준 프레임을 제시한바, 이는 리튬이차전지 전해액 시장에서 게임 체인저가 될 것이라고 연구진은 설명했다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 "새로운 솔베이션 구조에 의한 리튬 이온의 이동도 향상과 구동 온도 범위의 확장 그리고 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과에 의해 기존에 보고된 리튬금속 전지용 전해액 기술 개발의 한계를 뛰어넘는 기술을 개발하게 됐다ˮ라고 말했다.
최남순 교수는 "개발된 전해액 기술은 기존에 보고된 전해액들과는 달리 리튬이온을 끌어당기는 힘이 다른 두 개의 용매를 사용하여 리튬이온이 잘 이동하게 하고 전극 표면에서도 원하지 않는 부반응을 감소시키는 새로운 솔베이션 구조를 형성해 리튬금속 전지 구동 온도 범위를 넓힌 획기적인 시도ˮ라며 "이러한 솔베이션 구조 개선 기술과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과는 고에너지 밀도 리튬금속 전지에서의 난제들을 효과적으로 해결하고 전해액 설계에 있어서 새로운 방향을 제시했다ˮ라고 연구의 의미를 강조했다.
생명화학공학과 최남순 교수와 김세훈, 이정아, 김보근, 변정환 연구원과 경상국립대학교 나노신소재융합공학과 이태경 교수, UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수, 백경은 연구원, 이현욱 교수, 김주영 연구원 진행한 이번 연구는 국제 학술지 `에너지 & 인바이론멘탈 사이언스 (Energy & Environmental Science)'에 9월 13일 字로 온라인 공개됐다 (논문명 : Wide-temperature-range operation of lithium-metal batteries using partially and weakly solvating liquid electrolytes).
한편 이번 연구 수행은 솔베이 스페셜티 폴리머즈 코리아 (Solvay Specialty Polymers Korea)의 지원과 ㈜후성으로부터 첨가제 합성 지원을 받아 수행됐다.
2023.10.04 조회수 4970 -
색이 변하는 고효율 스마트 유연전지 개발
스마트 전자 기기 및 웨어러블 시장의 급속한 발전에 따라, 단순한 에너지저장 기능을 가진 이차전지를 넘어서 색깔이 변하는 스마트 이차전지 시스템이 주목받고 있다. 하지만 기존 전기변색소자는 낮은 전기전도도로 인해 전자와 이온의 이동효율 및 에너지 저장 용량이 낮고 플랙서블/웨어러블 에너지 기술에 적용하기 어려운 한계가 있었다.
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수와 명지대학교(총장 유병진) 신소재공학과 윤태광 교수로 구성된 공동 연구팀이 전자와 이온의 이동효율을 높여주는‘파이(π) 결합 간격재(Spacer)’가 내장된 전기변색 고분자 양극재 개발을 통해, 충전․방전 과정을 시각화하는 스마트 전기변색-아연 이온 전지를 개발했다고 21일 밝혔다.
전기변색 기능이 접목된 전지는 충전과 방전 상태를 색 변화로 시각화하고, 태양광 흡수량을 조절해 실내 냉방 에너지 소비량을 절감하는 디스플레이 소자로 활용할 수 있는 획기적인 스마트 전지다. 공동연구팀은 장시간 공기 노출 및 기계적 변형에도 전기변색 성능과 우수한 전기화학 특성이 유지되는 유연 전기변색-스마트 아연 이온전지 구현에 성공했다.
공동 연구팀은 전자와 이온의 이동효율을 극대화하기 위해‘파이(π) 결합 간격재(Spacer)’가 내장된 고분자 양극재를 이론적인 모델링을 바탕으로 설계하고 최초로 합성했다. 파이(π) 결합은 구조 내 전자이동을 향상시켜 이온 이동 속도가 매우 빨라지고, 이온 흡착효율이 극대화되어 에너지 저장 용량 또한 높이는 효과가 있다.
‘파이(π) 결합 간격재(Spacer)’가 내장된 고분자 양극재 기반 전지는 간격재가 없는 경우와 비교했을 때 간격재가 공간을 마련해주어 이온 이동 속도를 빠르게 하여 고속충전이 가능하며 아연 이온 성능이 방전용량 110 mAh/g로 기존보다 40% 이상 저장용량도 확대되고 충·방전시 남색에서 투명색으로 빠르게 바뀌는 변색 성능도 30%가 상승한 결과를 나타냈다. 아울러 투명 유연전지 기술을 스마트 윈도우에 적용하면, 낮시간 동안 태양에너지를 흡수하는 과정에서 짙은 색을 띄게되어 자외선과 눈부신 태양빛을 차단하는 커튼 기능이 포함된 미래형 에너지 저장 기술로 쓰일수 있다.
신소재공학과 김일두 교수는 ‘파이(π) 결합 간격재(Spacer)’가 내장된 고분자를 개발해 우수한 변색효율과 높은 에너지 용량의 스마트 아연이온전지 개발에 성공했다ˮ고 밝혔으며 "에너지 저장의 역할만을 수행하는 기존 전지의 개념을 넘어서, 스마트 전지 및 웨어러블 기술의 혁신을 가속화하는 미래형 에너지 저장 시스템으로 활용될 것을 기대한다ˮ 고 말했다.
이번 연구 결과는 윤태광 교수(KAIST 신소재공학과 졸업), 이지영 박사(現 노스웨스턴 대학교 박사 후 연구원), 충북대학교 신소재공학과 김한슬 교수가 공동 제1 저자로 참여하였으며, 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)' 에 인사이드 표지 논문(Inside Cover)으로 8월 3일 (35권, 31호)에 게재되었다. (논문명 : A π-Bridge Spacer Embedded Electron Donor–Acceptor Polymer for Flexible Electrochromic Zn-Ion Batteries)
이번 연구는 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업, 한국연구재단 나노 및 소재 기술개발사업, 교육부 학문후속세대양성사업과 산업통산자원부의 알키미스트 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.
2023.08.21 조회수 4345 -
최고 수준의 전기차 배터리 첨가제 기술 개발
1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발이 필수적이다. 이에 높은 가역용량을 가지는 니켈리치 양극과 흑연보다 10배가량 높은 용량을 발현하는 실리콘 음극 물질이 차세대 리튬이온전지의 소재로 주목받고 있다. 하지만 기존 전해질 첨가제 연구는 기존 물질들의 스크리닝 기법을 통하여 시행착오를 거쳐 개발되기 때문에 시간과 비용이 많이 소모되어 신규 전극 소재에 대응하기 어려운 한계점을 보였다.
우리 대학 생명화학공학과 최남순 연구팀이 고려대 곽상규 교수팀, UNIST 홍성유 교수팀, 현대자동차, 한국화학연구원과 공동연구를 통해, 고용량 실리콘 기반 음극과 니켈리치 양극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 장수명화를 가능하게 하는 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극의 저온, 상온 및 고온에서의 가역성을 증대시켜 배터리 충방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.
연구팀은 전해질 첨가제 설계 초기 단계부터 타겟으로 하는 양극과 음극에 적합한 작용기를 분자공학적 기법으로 조합하여 첨가제를 디자인하고 합성하는데 성공하였다. 디자인된 전해질 첨가제는 전자 수용 및 전자 공여 그룹의 전기화학적 반응에 의해 고용량 실리콘 기반 음극 및 니켈 리치 양극 표면에 고체전해질 계면막을 형성해 전지의 상온 및 고온 수명을 획기적으로 끌어올리는 데 성공했다.
개발 기술은 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재밀도를 가진 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극을 사용하여 배터리의 저온, 상온 및 고온 장수명을 실현하였다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시하였다는 점에서 그 의미가 크다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 "개발된 전해질 첨가제는 내열성과 유연성이 우수한 전극 계면 층을 형성하여 전기차 구동 온도 45도에서 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 반복적인 300회 충방전 후에도 초기 용량의 72.5%를 발현가능했으며, 이는 기존에 사용되고 있는 첨가제인 비닐렌 카보네이트(VC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 대비 각각 54%, 38% 향상된 수준이었다. 또한, 실리콘 음극 부피변화에 따른 전지 열화를 억제하여 희박 전해질 조건에서도 효과가 있었다ˮ 라고 말했다.
최남순 교수는 “이번 성과는 기존 상용 첨가제들(VC, FEC)의 한계를 극복할 수 있는 전해질 첨가제 기술로, 물질 구조 디자인, 합성 및 계산화학을 통해 연구시간 및 비용을 줄이고 타겟 양극 및 음극 특성에 적합한 첨가제를 정확하게 개발해 내는 새로운 방향을 제시했다”라고 연구의 의미를 강조했다. 뿐만 아니라 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 저온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면 층을 형성하는 세계 최고 수준의 전해질 첨가제 기술로서 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다고 밝혔다.
이번 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 남희범(現 현대자동차 연구원) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당하였다. UNIST 홍성유 교수와 김민평, 전민호(現 한국화학연구원 연구원) 연구원은 디자인된 첨가제를 쉽게 얻는 합성법을 개발하였다. 고려대학교 곽상규 교수와 이승민, 김형준 연구원은 계산화학 시뮬레이션을 통해 음극 및 양극에서의 전해질 첨가제의 계면 층 형성 과정을 이론적으로 규명하였다.
한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 `어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)'에 4월 4일 字로 온라인 공개됐다 (논문명 : Elastic Interfacial Layer Enabled the High-Temperature Performance of Lithium-Ion Batteries via Utilization of Synthetic Fluorosulfate Additive).
이번 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.
2023.04.19 조회수 6381 -
리튬 금속 이차전지 수명 세계 최고 수준으로 구현
리튬이차전지의 이상적인 음극 소재로 주목받는 리튬 금속은 현재 상용 배터리인 그라파이트(graphite, 372 mAh/g)보다 10배 높은 용량을 가지고 있지만, 충·방전 과정 중 리튬 덴드라이트(dendrite)라 불리는 바늘 구조의 침전물이 쉽게 형성되는 근본적인 문제로 인해 상용화되지 못하고 있다.
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동 연구팀이 리튬이온전지의 전해액 속에서 팽윤(고분자 화합물이 용매를 흡수해 부피가 늘어남)되는 초박형 공중합체 고분자 보호막을 적용해 리튬 금속 전지의 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 28일 밝혔다.
리튬 금속의 낮은 쿨룽 효율, 짧은 전지 수명, 폭발 위험 등을 막기 위해 인공으로 고체-전해질 계면 (artificial solid-electrolyte interphase, 이하 SEI) 층을 보호막처럼 만들어 리튬 이온의 원활한 전달과 덴드라이트의 성장을 억제하기 위한 다양한 연구들이 진행되었다. 그러나, 기존의 인공 SEI 층들은 두께가 두꺼워 전지 내부의 높은 저항을 발생시키거나, 수백 사이클 이상의 구동 시 리튬 금속으로부터 떨어져 리튬 금속 음극의 장시간 안정성 유지에 어려움이 있었다. 무엇보다도, SEI 층의 형성 과정에서 반응성이 매우 큰 리튬의 손상이 발생하는 경우가 많아 원하는 형태의 SEI 층을 형성하는 데에 제약이 컸다.
공동 연구팀은 리튬 금속의 높은 반응성을 제어하고 덴트라이트 성장 및 전해액 고갈 문제를 해결하기 위해 `개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor deposition, iCVD)'이라는 공정을 이용했다. 이 공정 기술은 리튬금속 표면에 손상없이 보호막으로 적용되도록 용매를 사용하지 않는 온화한 조건에서 공정을 진행하며 기능성 고분자 박막을 얇게 균일하게 적용할 수 있다는 장점이 있다.
공동 연구팀은 iCVD 공정으로 제조된 고분자 박막을 활용해 리튬 전극의 계면을 안정화하였다. 전해액과 만나 3배 팽윤되어 부드러운 SEI 구조체를 형성하는 고분자 보호막이 적용된 리튬 음극은 세계 최고 수준의 리튬 이온 운반율(0.95)과 이온 전도도(6.54 mS cm-1) 특성을 보였다. 특히 100 nm의 얇은 두께에서도 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 막는 효과가 있음을 연구팀은 증명했다. 연구팀은 피디멤스가 코팅된 리튬 음극과 상용화된 양극(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)을 배터리 셀(battery cell)로 제조해, 무려 600 사이클 이상 안정적으로 구동되는 세계 최고 수준의 성능을 구현했다.
생명화학공학과 임성갑 교수는 "전해액에서 팽윤되는 초박형 고분자 보호막을 iCVD 공정을 적용해 리튬 금속 대비 6배 이상 수명 특성이 개선된 리튬 금속 전지 개발에 성공했다ˮ고 밝혔으며, 신소재공학과 김일두 교수는 "고용량 리튬 이차전지뿐만 아니라 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지와 같은 차세대 이차전지에도 필수적으로 사용되는 리튬 음극의 상용화를 앞당기는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다ˮ 고 말했다.
이번 연구 결과는 우리 대학 졸업생 배재형 박사(現 경희대학교 화학공학과 교수), 우리 대학 최건우 박사과정, 우리 대학 송현섭 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며, 국제 학술지 `어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 온라인 호에 3월 8일자 출판되었으며, 표지논문 (Front Cover)으로도 선정됐다. (논문명 : Reinforcing native solid-electrolyte interphase layers via electrolyte-swellable soft-scaffold for lithium metal anode).
이번 연구는 KAIST-LG에너지솔루션 프론티어 리서치 랩 (Frontier Research Lab, FRL)과 과학기술정보통신부 선도연구센터 지원사업 (웨어러블 플랫폼 기술센터)의 지원을 받아 수행됐다.
2023.03.28 조회수 6130 -
리튬이차전지 실리콘 기반 음극의 수명과 관련된 전자전도도 퇴화를 나노스케일에서 영상화 성공
고에너지 밀도를 갖는 리튬이차전지 개발에 대한 수요가 폭발적으로 증가하면서, 실리콘 기반 음극 개발에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 실리콘 활물질은 기존 음극 활물질인 흑연 대비 높은 용량 값(4200 mAh/g)을 가지고 있어, 고에너지 밀도를 가지는 리튬이차전지용 음극의 유력한 후보로 자리 잡고 있다.
하지만 충전 및 방전 간 400%에 달하는 높은 부피 팽창/수축률이 실리콘 활물질의 상업화를 방해하고 있다. 실리콘 기반 음극의 급격한 부피 변화는 특히 전극 내 전자 전달 시스템에 큰 악영향을 미치고 있으며, 이를 보완하기 위해 다양한 도전재 시스템을 적용하는 연구가 활발히 진행 중이다. 전극 내 전자 전도 채널의 확보는, 활물질 내 균등한 전기화학 반응을 유발하기 위해 필수적이지만, 이를 나노스케일 공간 분해능을 갖고 영상화하는 방법론에 관해서는 많은 연구가 진행되지 않은 실정이다.
우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업해, 나노스케일 분해능으로 전극 내 전자 전도 채널을 왜곡 신호 없이 정량적으로 추출하는 방법론을 개발하는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 연구팀은 전극 소재와 같이 표면 거칠기가 큰 시료에서 전도성 원자간력현미경(Conductive Atomic Force Microscopy, C-AFM) 운용 시 발생하는 왜곡 정보인 용량성 전류(capacitive current)의 원인을 규명하고, 피어슨 상관 분석 방법을 기반으로 해당 왜곡 정보를 제거했다. 이 방법론을 실리콘/흑연 기반 복합 음극에 적용해 도전재 성분에 따른 전자 전도 채널 영상화를 실시했으며, 이를 통해 단일벽 탄소나노튜브(Signle-Walled Carbon Nano Tube, 이하 SWNCT)가 적용된 전극의 전기적, 전기화학적 우수성을 입증하는 데 성공했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 실리콘 기반 전극과 같이 활물질의 부피 변화가 큰 시스템에서는 기존의 점형 도전재 대비 선형의 구조적 장점을 갖고 있는 SWCNT가 안정적인 전자 전도 채널을 확보하는 데 유리함을 보였다. 또한 SWCNT가 포함된 복합 전극의 경우, 130 사이클 이후에도 활물질의 분쇄가 보다 억제됐음을 보여주며, 전자 전도 채널의 불균일성이 활물질의 구조적 안정성에도 영향을 미칠 수 있음을 가설을 들어 설명했다.
제1 저자인 신소재공학과 박건 박사과정은 "전자 전도 채널 불균일이 유발한 전극의 전기화학 특성 퇴화라는 주제로 후속 연구를 진행 중이다ˮ라며 "나노스케일 영상화를 기반으로 지금껏 관찰하지 못했던 현상을 탐구할 수 있어 즐겁다ˮ라고 말했다. 교신 저자인 홍승범 교수는 "왜곡 신호의 원인을 규명하고, 이를 정량적으로 제거하는 연구는 영상화 분야에서 매우 중요하다ˮ라며 "이번에 개발한 방법론이 전극 내 전자 전도 채널을 강화하는데 적용돼, 실리콘 기반 복합 음극의 고도화를 앞당기는 데 도움이 되면 좋겠다ˮ라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 `에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤드 인터페이시스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 게재됐다. (논문명: Nanoscale Visualization of the Electron Conduction Channel in the SiO/Graphite Composite Anode)
한편 이번 연구는 LG에너지솔루션-KAIST 프론티어 리서치 랩(Frontier Research Lab)과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.11.08 조회수 7573 -
차세대 친환경 유기 이차전지 핵심기술 개발
우리 대학 신소재공학과 전석우 교수와 김일두 교수, 미국 일리노이대학 어바나-샴페인 캠퍼스 폴 브라운(Paul V. Braun) 교수 공동연구팀이 차세대 친환경 유기 이차전지의 핵심기술을 개발하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.
연구진은 재현성 있는 광학 패터닝 기술을 통해 고도로 정렬된 나노 네트워크 구조의 유기 음극을 설계해 리튬유기전지의 성능을 획기적으로 향상시켰다. 연구진이 이번에 확보한 충·방전 특성은 현재까지 보고된 유기 음극 소재 중 가장 높은 수준으로, 무기물 기반의 현 전극 소재를 대체할 수 있으며 장기적으로는 전기차 또는 휴대용 전자기기 등 상용화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
유기 이차전지는 원료 수급에 제한이 적고 저렴한 유기 전극 소재를 기반으로 하며 전극의 경량화가 가능하고 우수한 가변성은 물론 재활용이 용이하다는 장점이 있어 지속 가능한 친환경 전지 시스템으로 각광 받고 있다.
하지만 유기물의 낮은 전기전도도를 극복하기 위해 높은 함량의 탄소계 도전재가 첨가돼 고에너지밀도 달성에는 한계가 있었다. 또한, 실제 전기차 및 휴대용 전자기기 등에 적용되기 어려운 느린 충전 속도와 수명 저하 이슈가 결정적인 걸림돌로 지적돼왔다.
연구진은 전기화학적 활성과 안정성을 제한하는 기존의 비정렬적 전극 구조 대신 정렬된 서브 마이크론(100만분의 1미터 이하) 크기의 기공 채널을 갖는 3차원 이중 연속 구조의 유기 고분자-니켈 복합전극을 도입했다.
그 결과 탄소계 도전재 없이도 속도 특성을 비약적으로 향상하는 데 성공했으며, 15 A g-1 의 높은 전류밀도에서도 250회의 충·방전 사이클 동안 전극의 용량이 83% 이상 유지되는 높은 내구성과 안정성을 확인했다.
나아가 3차원 나노 네트워크 구조를 기반으로 유기물 내 다중 탄소 고리의 불포화 결합에서의 촉진된 `슈퍼리튬화' 현상을 규명해 1,260mAh g-1의 높은 가역 용량 달성을 확증함과 동시에 우수한 전하 이동에 대한 동역학 분석을 통해 초고속 성능의 메커니즘을 검증했다.
전석우 교수는 "친환경적이고 유망한 에너지 저장을 실현하기 위한 유기 전극의 구조 공학적 설계 방향을 새롭게 제시한 결과ˮ라며 "이번 연구의 3차원 정렬 나노 네트워크 구조는 다양한 유기 화합물과 호환 가능해 유기 전극의 플랫폼으로써 일반적 활용이 가능하다ˮ라고 밝혔다.
우리 대학 신소재공학과 함영진 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 에너지·환경 분야 최고 권위지 `에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science, IF: 38.532)' 11월호에 게재되는 한편 학계 및 일반인에게 널리 알릴만한 내용으로 인정받아 내부 표지 논문(Inside Back Cover)으로 선정됐다. (논문명: 3D Periodic Polyimide Nano-Networks for Ultrahigh-Rate and Sustainable Energy Storage)
한편 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.11.24 조회수 12313 -
전해액 첨가제로 리튬금속전지 수명 높인다
우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 리튬금속전지의 장수명화를 가능하게 하는 전해액 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 개발된 첨가제 조합 기술은 리튬금속 음극 표면에 바람직한 이중층 고체전해질 계면 박막을 형성해 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고 리튬이온을 균일하게 전달해 리튬금속전지의 수명과 고속 충‧방전 특성을 대폭 향상시켰다.
오래 달리는 전기차를 실현하기 위해서는 전지의 핵심 성능인 에너지밀도를 높여야 한다. 리튬금속전지는 리튬이온전지의 흑연보다 10배 이상 높은 용량을 발현하는 리튬금속 음극을 채용하고 있어 전지의 고에너지 밀도화를 달성할 수 있다.
그러나 높은 환원력을 가지는 리튬금속 음극과 전해액의 반응을 제대로 제어하지 못하면 리튬금속전지의 장수명을 달성하기 어렵다. 리튬금속 표면에 고체전해질 계면막을 형성시키는 것에만 집중해 한계점을 보이는 기존 연구들과는 달리 연구팀은 고체전해질 계면막을 계층화하고 형성된 이중층 계면막의 담당 기능을 구체화할 수 있는 환원반응성과 흡착력이 다른 2종 이온성 첨가제를 도입해 리튬금속 전지 수명을 획기적으로 끌어올리는데 성공했다. 또한, 니켈리치 양극 표면을 보호하는 얇은 계면막을 형성하여 양극의 구조적 안정성도 확보할 수 있었다.
최남순 교수 연구팀은 리튬금속 음극이 가지는 불안정성을 해결하기 위해 전자 받음 능력과 흡착 경향성에 따른 이온성 첨가제의 순차적인 환원 분해에 의해 이중층 고체전해질 계면막이 형성되도록 설계했으며 리튬금속 음극에 근접한 계면막은 리튬 전착-탈리반응에 따른 스트레스를 견딜 수 있는 기계적 강도를 가지는 리튬플루오라이드(LiF) 성분의 물질을 가지도록 했다.
바깥쪽 계면막은 전해액으로부터 리튬이온이 균일하게 공급되도록 하는 이온 수송 능력이 우수한 리튬나이트라이드(Li3N) 물질이 포함되도록 했다. 이러한 리튬금속 음극 표면 고체전해질 계면막의 계층적 구조화 기술은 리튬-합금기반 음극재, 리튬저장 구조체 및 무음극 기술 등과도 접목이 가능해 기업에서 요구하는 수준의 리튬금속전지를 실현하는 전해액 핵심 소재 기술이 될 것으로 기대된다. 특히, 이차전지 시장 판도를 바꿔 놓을 게임 체인저(game changer)가 될 것으로 기대하고 있는 무음극 이차전지 기술의 경우 충전 시 리튬금속이 음극 기재에 생성되므로 리튬금속을 안정화시키는 전해액 첨가제 기술은 무음극 이차전지의 성능을 더욱 끌어올리는 데 기여할 것이다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 "리튬디플루오로 옥살레이트 포스페이트(LiDFBP)와 리튬나이트레이트(LiNO3)를 불소 도너와 질소 도너형 첨가제로 도입해 리튬금속 음극의 가역성과 형상 균일화가 가능했으며 이러한 이중층 계면막은 양극과의 크로스 토크(cross-talk)을 최소화해 4V 이상의 고전압에서 전해액이 분해되지 않도록 했다ˮ며 "기존에 보고된 리튬금속 전지용 전해액 조성 기술의 한계를 뛰어넘는 고전압·장수명 리튬금속 전지용 전해액 소재를 개발하게 됐다ˮ 라고 말했다.
개발된 리튬금속 음극 보호용 이중층 계면막 기술은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 600회 충·방전 후에도 초기 용량의 80.9%를 발현했으며 99.94%의 매우 높은 쿨롱효율을 보였다.
최남순 교수는 “개발된 고체전해질 이중층 계면막 기술은 기존에 보고되던 고체전해질 계면막과는 달리 계층적 구조화를 통해 고강도 막과 고이온 전달성 막을 리튬금속 음극 표면에 형성하는 새로운 시도”라며 “이러한 기술은 리튬금속 전지의 최대 과제인 리튬금속 음극과 전해액의 불안정한 계면을 제어하는 첨가제 개발에 새로운 방향을 제시했다”라고 연구의 의미를 강조했다.
이번 연구에서 우리 대학 최남순 교수와 김세훈, 이민영(現 SK Innovation 연구원), 이정아 연구원은 구조화된 고체전해질 계면막을 형성하는 전해액 첨가제 기술을 개발하고 이중층 계면막의 구조를 분석해냈다. UNIST 곽상규 교수와 박성오 박사, 임마누엘 크리스탄토(Imanuel Kristanto) 연구원, 이태경 박사(現 한국에너지기술연구원 연구원), 황대연 박사(現 현대자동차 연구원)는 계산화학을 통해 음극 및 양극의 고체전해질 계면막의 구조화 기술에 대한 메커니즘을 규명했으며 UNIST 이현욱 교수와 김주영, 위태웅 연구원은 전해액 첨가제가 수지상 리튬 형성을 억제함을 시각적으로 보였다.
한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 `에너지 스토리지 머터리얼즈 (Energy Storage Materials)'에 10월 25일 字로 온라인 공개됐다(논문명 : Stable electrode-electrolyte interfaces constructed by fluorine- and nitrogen-donating ionic additives for high-performance lithium metal batteries).
이번 연구 수행은 과학기술정보통신부의 기후변화대응기술개발사업, 산업통상자원부의 차세대 이차전지용 극박 음극전극 개발 사업, 현대자동차의 지원으로 이뤄졌다.
2021.11.16 조회수 10732 -
계층형 다공성 2차원 탄소 나노시트 합성
생명화학공학과 이진우 교수팀이 서로 다른 크기의 기공을 동시에 갖는 계층형 다공성 2차원 탄소 나노시트를 합성하는 기술을 개발했다.연구팀의 합성기술은 다공성 2차원 탄소 소재의 기공 크기와 구조 및 두께 등의 물성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원천 기술로 2차전지, 촉매 분야에서 고용량 전극 소재로 활용될 것으로 기대된다.
김성섭 박사, 주미은 석사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’ 2월 13일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Polymer Interfacial Self-Assembly Guided Two-Dimensional Engineering of Hierarchically Porous Carbon Nanosheets)
기존의 다공성 2차원 탄소 소재의 합성은 대부분 그래핀 소재에 기공을 형성하는 방식에 의존하지만, 이는 기공의 크기와 구조를 효율적으로 제어할 수 없다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해서 2차원 나노시트를 주형으로 이용해 블록공중합체의 자기조립 방식을 시도했으나 추가적인 주형의 합성이 필수적이기 때문에 합성 과정이 복잡하고 두께의 조절이 쉽지 않다는 문제가 발생한다.따라서 기공의 크기 등 나노 구조의 제어가 가능하면서도 손쉬운 합성을 할 수 있는 다공성 2차원 탄소 나노시트 합성법 개발의 필요성이 커지고 있다.
이 교수 연구팀은 블록공중합체, 단일중합체 고분자 혼합물의 상 거동을 이용해 마이크로 기공과 메조 기공, 그리고 8.5nm의 두께를 갖는 계층형 다공성 2차원 탄소 나노시트를 합성하는 데 성공했다. 서로 섞이지 않는 두 종류의 단일중합체의 계면 사이에서 블록공중합체와 무기 전구체가 자기조립을 통해서 다공성 구조를 형성하는 원리이다.이 합성 방법은 별도의 주형이 필요하지 않은 간단한 방법으로 기존의 복잡한 과정을 혁신적으로 줄여 생산력을 증대했다. 이를 이용해 연구팀은 계층형 다공성 탄소 나노시트를 차세대 전지인 칼륨이온전지(potassium-ion batteries)의 음극에 적용해 용량을 기존 흑연 소재의 8배 이상 높이는 결과를 얻었다.
연구팀의 합성기술은 블록공중합체의 분자량 및 고분자대비 질량을 조절해 손쉽게 나노구조(기공 크기, 구조, 두께)를 조절할 수 있어 맞춤형 나노소재로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 이진우 교수는 “기존 다공성 2차원 무기 소재 합성기술의 문제점을 고분자 블렌드 성질을 이용해 해결할 수 있음을 보여줬다”라며 “이는 고분자 물리학과 무기 소재 합성을 이어주는 중요한 연구가 되며 다양한 에너지 장치에 적용될 수 있을 것이다”라고 설명했다.
이번 연구는 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 C1가스리파이너리 사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업 및 미래소재디스커버리사업의 지원을 통해 수행됐다.
2020.03.20 조회수 15917 -
육종민 교수, 나트륨 이차전지의 음극 소재 원리 규명
〈 왼쪽부터 육종민 교수, 박재열 박사과정, 박지수 박사과정 〉
우리 대학 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 황화구리를 기반으로 한 나트륨 이차전지 전극 재료의 나트륨 저장 원리를 밝혔다.
나트륨 이차전지는 1일 1회 충, 방전 시 5년 이상 사용할 수 있는 우수한 성능을 가진 전지로, 이번 연구를 통해 수명이 긴 전극 재료 개발에 기여할 것으로 예상된다.
연구팀의 이번 연구는 높은 저장 용량을 가지는 소재의 충. 방전 반복에 따른 열화 방지 관련 핵심원리를 규명했다는 점에서 의의가 있다. 황화구리는 지구상에 풍부한 구리와 황으로 이뤄져 있어 다른 나트륨 저장 소재 대비 경쟁력이 높아 나트륨 전지의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대된다.
박재열 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Sciences)’ 6월호 표지논문(Inside back cover)에 선정됐다. (논문명 : Pulverization-tolerance and capacity recovery of copper sulfide for high performance sodium storage)
리튬 이온 전지는 휴대전화, 전기차 등 일상과 밀접한 다양한 곳에 사용된다. 리튬 이온 전지의 원자재인 리튬, 코발트, 니켈 등은 매장지역이 한정돼 있어 가격 흐름이 매우 불안정하다. 2018년에는 수요가 급등해 공급량이 부족해져 리튬과 코발트 가격이 한때 3배 이상 급등하기도 했다.
이런 문제를 해결하기 위해 리튬 이온 전지의 대안으로 나트륨 이온 전지가 주목받고 있다. 리튬이 지구 지표면에 0.005%만 존재하는 반면 나트륨은 그 500배 이상인 2.6% 존재해 원자재 공급 문제를 해결할 수 있다. 따라서 리튬 이온 전지 대비 저렴한 가격으로 같은 용량의 에너지를 저장할 수 있을 것으로 전망된다.
하지만 리튬 이온 전지의 음극 재료인 흑연은 나트륨의 저장에 적합하지 않다. 그 이유는 흑연 층 사이에 리튬 이온들이 삽입(intercalation)되며 저장되는데 나트륨 이온을 저장하기에는 흑연의 층간 거리가 너무 좁기 때문이다.
비슷한 이유로 다른 삽입반응을 거치는 나트륨 저장물질들도 저장 용량이 낮다. 낮은 저장 용량 문제를 해결하기 위해서는 높은 저장 용량을 얻을 수 있는 전환(conversion)반응이나 합금(alloying) 반응을 거치는 물질을 사용해야만 한다. 그러나 이 두 가지 반응을 이용하면 부피팽창이 너무 커지고 급격한 결정구조의 변화에 따라 입자가 분쇄돼 성능이 빠르게 저하된다.
육 교수 연구팀은 일반적인 통념과 달리 황화구리는 전환반응을 거침에도 불구하고 오히려 저장 용량이 회복되며 안정적인 충, 방전이 가능하다는 사실을 발견했고 그 원리를 투과전자현미경을 이용해 관찰했다. 그 결과 전환반응에서 유사 정합 경계면 (두 상 혹은 두 결정립 사이의 결정 격자의 합이 잘 맞는 경계면) 을 형성해 입자의 분쇄를 막아준다는 사실을 밝혀냈다.
일반적인 전환반응의 경우 전환반응 전후의 결정구조가 완전히 다르고 부피팽창도 크기 때문에 입자가 분쇄돼 성능 열화를 유발한다. 그러나 황화구리는 나트륨 저장에 따라 유동적인 결정구조 변화를 해 유사 정합 경계면을 형성하고, 이는 입자의 분쇄를 막아주는 결정적인 역할을 한다고 연구팀은 설명했다.
그 결과 황화구리는 입자의 크기나 형상에 상관없이 높은 나트륨 저장 성능을 보이는 것을 확인했다. 수십, 수백 마이크로미터 크기의 별다른 최적화를 거치지 않은 황화구리 입자가 기존 흑연의 이론 용량 대비 약 17% 높은 ~436mAh/g의 저장 용량을 갖고, 2천 회 이상의 충, 방전에도 93% 이상의 저장 용량을 유지함을 확인했다.
육 교수는“이번 연구가 미세먼지 해결을 위한 고성능 배터리 개발에 이바지할 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 사이언스 표지
그림2. 황화구리 내 나트륨이 저장되면서 나타나는 유사 정합 경계 (Semi-coherent interface) 들
2019.07.01 조회수 11923 -
이진우 교수, 다공성 구조의 기능성 황 담지체 개발
〈 이진우 교수, 임원광 연구원 〉
우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 서로 다른 크기의 기공을 갖는 구조의 무기소재 합성을 통한 황 담지체를 개발해 리튬-황 이차전지의 성능을 높이는 데 성공했다.
연구팀은 다차원 상분리 현상을 동시에 유도해 각기 다른 두 종류, 크기의 기공을 갖는 티타늄질화물을 합성했고 이를 황 담지체로 활용해 우수한 수명 안정성과 속도를 갖는 리튬-황 이차전지를 구현했다.
포스텍 화학공학과 한정우 교수와 공동으로 진행하고 임원광 석박사통합과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 1월 15일자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : Approaching Ultrastable High-Rate Li-S Batteries through Hierarchically Porous Titanium Nitride Synthesized by Multiscale Phase Separation, 다차원 상분리를 활용한 계층형 다공성 구조의 티타늄질화물 합성 및 이를 통한 우수한 안정성과 높은 속도 특성의 리튬-황 이차전지 개발)
전기 자동차, 스마트 그리드 등의 기술은 대용량 에너지를 제어해야 하는 시스템으로 이를 효율적으로 활용하기 위한 차세대 이차전지 개발의 필요성이 더욱 커지고 있다.
리튬-황 이차전지는 이론적으로 기존 리튬 이온 이차전지보다 약 7배 이상 높은 에너지 밀도 특성을 보인다. 또한 황의 저렴한 가격은 전지 생산 단가를 급격히 낮춰줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.
그러나 리튬-황 이차전지 음극과 양극에서 많은 문제점이 남아있어 상용화에 한계가 있다. 특히 양극에서는 황의 낮은 전기 전도도와 황이 충·방전 과정에서 전극으로부터 새어나가는 현상이 문제점으로 남아있다.
이를 해결하기 위해 황을 안정적으로 담을 수 있는 그릇 역할의 소재, 즉 황 담지체에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.
기존 극성 표면의 무기 소재들은 황과 강한 작용력을 갖지만 무기 소재의 구조적 특성 제어를 할 방법이 부족해 황 담지체로 개발하기에는 한계가 있었다. 이번 연구는 독창적인 합성법을 개발함으로써 이 한계점을 극복했다.
연구팀은 문제 해결을 위해 50나노미터 이상 크기의 매크로 기공과 50나노미터 이하의 메조 기공을 동시에 지닌 계층형 다공성 구조의 티타늄질화물 기반의 황 담지체를 개발했다.
티타늄질화물은 황과의 화학적 작용력이 매우 강하고 전기 전도도가 높아 충·방전 과정에서 황이 전극으로부터 빠져나가는 것을 막아주고 황의 전기화학적 산화, 환원 반응을 빠르게 해준다.
연구팀은 매크로 기공과 메조 기공의 구조적 시너지 효과로 인해 많은 양의 황을 안정적으로 담으면서도 높은 수명 안정성 및 속도 특성을 보임을 확인했다.
이 교수는 “리튬-황 이차전지는 여전히 해결해야 할 문제점이 많아 이를 해결하기 위한 연구는 지속적으로 이뤄져야 한다”라며 “이번 연구를 통해 안정적인 수명을 지닌 양극 소재 개발의 독보적인 기술을 확보했다”라고 말했다.
이번 연구는 LG화학과 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 계층형 다공성 티타늄질화물 합성전략 모식도
그림2. 합성된 계층형 다공성 티타늄질화물 전자현미경 사진
그림3. 저널 표지 원본
2019.01.28 조회수 9883