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오래가는 리튬황 이차전지 개발
- 리튬이온전지 보다 에너지밀도가 5배 이상 높은‘리튬황 전지’개발 -
우리 학교 신소재공학과 김도경 교수는 EEWS 최장욱 교수와 공동으로 현재 상용화중인 리튬이온 배터리의 수명 및 에너지 밀도를 크게 뛰어넘는 리튬황 전지를 개발했다.
연구결과는 나노소재 분야 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 3일자 표지논문(frontispiece)으로 실렸다.
개발된 리튬황 전지는 △단위 무게당 에너지 밀도가 최대 2100Wh/kg로 상용화 중인 리튬이온전지(최대 387Wh/kg)의 5.4배에 달하고 △기존에 개발된 리튬황 전지가 갖는 충·방전에 따른 급격한 용량감소 문제를 해결해 수 백 번 충·방전이 가능하다.
김 교수 연구팀은 나노 전극 재료합성기술을 활용, 두께 75nm(나노미터) 길이 15㎛(마이크로미터)의 황 나노와이어를 수직으로 정렬해 전극 재료를 제작했다.
제작된 황 나노와이어 정렬 구조는 1차원 구조체로 빠른 전자의 이동이 가능해 전극의 전도도를 극대화시켰다.
이와 함께 황 나노와이어 표면에 균일하게 탄소를 코팅함으로써 황과 전해액의 직접적인 접촉을 막아 충·방전 중 황이 녹아나는 것을 방지, 리튬황 전지가 갖는 수명저하 문제를 해결했다.
기존에 개발된 리튬황 전지용 전극은 초기에 높은 용량을 보임에도 불구하고 충·방전을 반복함에 따라 지속적인 용량감소를 보였다.그러나 개발된 전극은 빠른 방전속도(3분마다 1회 충·방전 조건)에서 300회의 충·방전 후에도 초기 용량의 99.2%를 유지했고 1000회의 충·방전 후에도 70%이상 용량을 나타냈다.
따라서 이차전지에서 가장 중요한 특성인 수명, 에너지 밀도 등에서 기존의 어떠한 전극보다 성능이 우수한 세계 최고 수준으로 평가받고 있다.
김도경 교수는 “개발된 리튬황 전지는 무인기, 전기자동차 및 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지의 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라며 “대표적인 차세대 이차전지인 리튬황 전지의 오랜 난제인 수명저하의 해결방안을 찾아 세계 최고 수준의 성능을 구현해 내 이 분야에서 우리나라가 기술 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.
한편, 연구팀은 관련 기술에 대해 국내 특허 1편과 PCT 국제 특허 1편의 출원을 완료했다.
□ 그림설명
그림1. 개발된 리튬황 전지수명특성 그래프, 300회의 충·방전 시에도 초기 용량의 99.2%의 성능을 낸다.(좌측) 1000회 충·방전에도 높은 성능을 유지한다.(우측)
그림2. 탄소 코팅된 황 나노 와이어 정렬 구조(좌측상단 1, 2 프레임), 단일 황 나노와이어(좌측 하단), 황 나노 와이어 정렬 구조 모식도(우측)
2013.12.03
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옷처럼 입을 수 있는 신 개념 배터리 개발
- 구부리고, 접히고 구겨져도 작동이 가능한 이차전지 원천기술 개발 -
- 휘어지는 유기 태양전지 접목한 새로운 개념의 충전 기술 기반 -
최근 국내 대기업간 휘어지는 스마트 폰 경쟁이 치열하다. 특히, 국내 기업인 S사와 L사는 휘어지는 배터리를 탑재해 눈길을 끌었다. 그러나 앞으로는 배터리를 옷처럼 입고 다니는 것은 물론 태양광으로 충전도 가능할 전망이다.
우리 학교 EEWS 대학원 최장욱(39) 교수는 같은 과 이정용(40) 교수, 기계공학과 김택수(36) 교수와 공동으로 휘는 것은 물론 접어도 안전하게 작동하면서 태양열로 충전하는 신 개념 배터리를 개발했다. 연구 결과는 나노과학분야 세계적 권위지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’지 5일자 온라인판에 게재됐다.
이번에 개발된 배터리를 이용하면 웨어러블 컴퓨터 기술개발이 탄력을 받을 것으로 기대된다. 또 아웃도어 의류에 적용할 경우 한겨울에도 입으면 땀나는 옷이 나올 것으로 예상된다.
휘어지는 전자기기는 미래 고부가가치 시장으로 여겨지고 있다. 삼성전자의 갤럭시 기어(Galaxy Gear), 애플(Apple)의 아이와치(i-Watch), 구글(Google) 글래스 등 다양한 입는 전자제품이 출시됐거나 시제품으로 소개됐으며 시장선점을 위한 기술경쟁은 더욱 치열해질 전망이다.
그러나 기존의 딱딱한 배터리는 입는 전자기기에 큰 장애물로써, 자유롭게 휘어지는 배터리를 개발하기 위해 많은 국내외 연구팀에서 노력하고 있다.
최 교수 연구팀은 옷으로 사용되는 섬유가 반복적인 움직임에도 변형되지 않는 점에 착안해 배터리에 유연한 특성을 부여했다.
연구팀은 폴리에스터 섬유에 전통적인 기술인 니켈 무전해 도금을 한 후, 전극 활물질로 양극에는 리튬인산철산화물을, 음극에는 리튬티타늄산화물을 얇게 도포해 유연한 집전체를 개발했다. 이처럼 섬유를 기반으로 개발된 배터리는 섬유의 유연함을 유지할 수 있어 구부림·접힘·구겨짐이 모두 가능하다.
기존 배터리의 집전체가 알루미늄과 구리를 사용해 몇 번만 접어도 부러지는 단점을 간단한 방법을 통해 획기적으로 개선한 것이다.
특히, 집전체 골격으로 쓰인 3차원 섬유구조는 반복적인 움직임에도 힘을 분산시켜 전극물질의 유실을 최소화하면서도 전지의 구동을 원활하게 해 5,000회 이상 접어도 정상적으로 작동했다. 현재는 2V의 전압과 85mAh의 용량을 나타냈으며, 이는 추가적인 최적화 과정을 통해 맞춤형 디자인을 할 수 있어 다양한 웨어러블 응용 분야에 적용될 수 있다고 연구팀은 설명했다.
게다가 이번에 개발한 배터리의 제조기술은 현재 양산 제조공정을 그대로 활용할 수 있어 생산라인의 재투자 없이 바로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이와 함께 연구팀은 휘어지면서도 가벼운 특징을 갖는 유기태양전지 기술을 적용, 옷처럼 입고 구김이 가는 상태에서 태양광으로 충전하는 기능도 추가했다.
최장욱 교수는 “지금까지 입는 전자제품 개발에 있어 가장 큰 난관이었던 입는 배터리의 실마리를 풀어 미래 이차전지 분야 핵심원천기술로 활용될 것”이라며 “기존 이차전지 기업들과의 협력해 상용화되면 다양한 소형 모바일 전자기기를 입고 다니는 새로운 IT 시대를 가능하게 할 것”이라고 밝혔다.
2013.11.14
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리튬공기 이차전지 핵심기술 개발
- KAIST-경기대 공동연구팀, 나노섬유·그래핀 복합촉매 개발 -- 리튬이온 이차전지보다 5배 용량 향상, 최대 800km 주행가능 -
서울-부산을 전기차로 왕복할 수 있는 시대가 열릴까? 차세대 초고용량 전지로 주목받고 있는 리튬공기 이차전지의 핵심기술이 개발됐다.
우리 학교 신소재공학과 김일두·전석우 교수와 경기대학교 신소재공학과 박용준 교수 공동연구팀은 나노섬유·그래핀 복합촉매를 개발하고 리튬공기 이차전지에 적용해 리튬이온 이차전지 보다 용량이 5배 높은 ‘리튬공기 이차전지’를 만드는 데 성공했다.
연구 결과는 나노 분야 권위 있는 학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 8월 8일자 온라인판에 게재됐다.
‘리튬이온 이차전지’의 음극과 양극에는 각각 흑연, 리튬전이금속산화물로 구성돼 있다. 이 전지는 핸드폰, 노트북 등에 널리 사용되고 있는데 전기차에 적용할 경우 한 번 충전에 약 160km 정도만 주행할 수 있어 아직은 전기차용으로는 용량이 충분하지 않다는 것이 일반적인 평가다.
연구팀이 이번에 개발한 ‘리튬공기 이차전지’는 음극은 리튬, 양극은 산소를 사용한다. 무게가 가벼우면서도 실제 얻을 수 있는 에너지밀도가 리튬이온 이차전지보다 훨씬 높아 차세대 이차전지 중 가장 큰 각광을 받고 있다.
그러나 방전 시 리튬과 산소가 서로 만나 리튬산화물(Li2O2)이 형성되고 충전 시 다시 분해되는데 이 과정이 원활하게 일어나지 않는 문제점으로 인해 높은 저항이 발생하며, 수명이 짧아 상용화에 어려움이 있었다. 따라서 리튬산화물의 형성 및 분해반응을 보다 수월하게 해주는 고효율 촉매 개발이 필수적이었다.
연구팀은 전기방사 방법으로 대량생산이 가능한 코발트산화물 나노섬유와 그래핀을 섞어 나노 복합촉매를 개발했다.
촉매활성이 매우 높은 ‘코발트산화물 나노섬유’에 큰 비표면적과 높은 전기전도도를 가지고 있는 ‘비산화그래핀’을 결착시킴으로써 리튬공기 이차전지의 성능을 극대화 시킬 수 있었다고 연구팀은 전했다.
개발된 나노 복합촉매를 리튬공기 이차전지의 양극에 적용하면 리튬이온 이차전지 용량의 5배에 달하는 1000mAh/g 이상의 고용량에서도 80회 이상의 충·방전이 가능한 우수한 수명특성을 보였다.
연구팀이 이번에 확보한 충·방전 특성은 현재까지 보고된 성능 중 가장 높은 수준이며, 금속 산화물과 그래핀을 소재로 활용했기 때문에 저렴하게 만들 수 있다. 상용화에 성공해 전기차에 적용하면 한 번 충전에 800Km이상 주행할 수 있어 서울-부산을 왕복 가능해질 것으로 기대된다.
김일두 교수는 “안정성 등 상용화까지는 해결할 과제들이 많이 있지만 본격적인 전기차 시대를 위해 여러 기관들과 협력해 연구할 것”이라며 “우리나라에서 리튬공기 이차전지 분야의 핵심 소재 중에 하나인 나노촉매 합성 기술 개발을 주도해 차세대 리튬공기 이차전지 분야의 활성화에 기여하고 싶다”고 말했다.
한편, 이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 류원희 박사, 송성호 박사과정 학생, 경기대학교 윤택한 석사과정 학생이 참여했다.
그림1. 나노복합촉매로 구성된 리튬공기 이차전지 개념도
그림2. 코발트산화물 나노섬유/그래핀 나노 복합촉매 이미지
그림3. 리튬공기 이차전지용 코발트산화물 나노섬유/그래핀 나노 복합촉매 제조과정 이미지
2013.09.05
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힘세고 오래가는 리튬이온 배터리 개발
최장욱 교수
- 출력 향상으로 전기자동차 가속성능 획기적 향상 기대 -- 결정면 제어해 출력은 5배 이상, 수명은 3배, 고온 수명은 10배 이상 향상 -
나노기술을 이용해 고출력은 물론 수명이 훨씬 길어진 리튬이온 이차전지가 개발됐다.
우리 학교 EEWS 대학원 최장욱 교수 연구팀이 기존의 리튬이온 이차전지보다 출력은 5배 이상 높으면서도 수명은 3배 이상 길어진 리튬이온 이차전지 양극소재를 개발하는 데 성공했다.
그동안 배터리 성능이 모터의 출력을 따라가지 못해 내연기관 보다 가속 시 굼뜨는 단점이 있었던 기존 전기자동차에 이 배터리를 적용할 경우 가속성능이 획기적으로 개선될 것으로 관련업계는 기대하고 있다.
이와 함께, 차세대 지능형 전력망인 스마트 그리드와 전동 공구 등 고출력 배터리를 필요로 하는 분야에도 다양하게 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
현재 가장 널리 상용화된 리튬이온 이차전지용 리튬-코발트계 양극소재는 비싼 가격, 강한 독성, 짧은 수명, 긴 충·방전 시간 등의 단점이 있다. 또 충·방전 시 발생하는 열에 취약, 대용량 전류밀도를 요구하는 전기자동차엔 적용이 어려웠다.
반면, 최장욱 교수 연구팀이 이번에 연구한 리튬-망간계 양극소재는 풍부한 원료, 저렴한 가격, 친환경성 등과 같은 장점을 갖고 있으며, 특히 고온 안정성이 뛰어나고, 높은 출력을 낼 수 있기 때문에 전기자동차용 전극 소재로 각광을 받고 있다.
순수 리튬망간계 양극소재는 수명이 평균 1~2년 정도에 불과할 정도로 매우 짧은 단점이 지적돼 왔다. 이는 망간이 전해액으로 녹아나오는 용출 현상에 기인하며, 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행돼 왔지만 소재의 고유 결정구조로 인해 난제로 남아 있었다.
최 교수 연구팀은 망간산화물이 만들어지기 직전 나노소재를 합성하는 단계에서 반응온도를 조절해 결정면의 구조를 분석한 결과 220℃에서 망간이온의 용출이 억제되는 결정면과 리튬이온 이동을 원활하게 하는 면이 동시에 존재한다는 것을 발견했다.
각각의 결정면은 수명과 출력을 동시에 좋게 해 출력은 5배 이상 향상되면서 수명은 3배 이상 높아졌다. 게다가 기존에 가장 취약하다고 알려진 고온 수명 특성은 10배 이상 좋아지는 것을 확인했다.
최장욱 교수는 “배터리에 10 마이크로미터 수준의 덩어리 입자로 존재했던 리튬망간계 양극소재를 수백 나노 수준에서 결정면을 제어함으로써 출력과 수명을 모두 획기적으로 개선했다”며 “관련 기술에 대해 국내외 특허 출원을 완료했으며, 앞으로 기업과 연계해 2~3년 내 상용화할 계획”이라고 밝혔다.
이차전지의 세계적인 석학인 스탠포드 대학 추이 교수는 “이번 연구는 나노기술이 이차전지 분야를 획기적으로 발전시킬 수 있는 단적인 예를 보여준 사례”라고 평가했다.
한편, 최장욱 교수가 주도하고 김주성 연구원이 참여한 이번 연구 성과는 나노과학분야 세계적 권위지 ‘나노 레터스(Nano letters’)지 온라인판(11월 27일자)에 발표됐다.
그림1. 잘린 면을 갖는 스피넬 리튬망간산화물의 주사전자현미경 사진(좌)과 이 구조가 다른 구조에 비해 다른 구조와 비교 시 더 우수한 출력 특성을 보여 주는 배터리 데이터(우). 초록색이 잘린 면을 갖는 구조의 데이터이다.
그림2. 결정면 제어를 한 스피넬 리튬망간산화물의 개략도. 파란색 면 방향은 수명특성에 기여하며, 분홍색의 면은 출력 특성에 기여하도록 결정면이 디자인됐다.
2012.11.27
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휘어지는 고성능 배터리 제작기술 개발
- 플렉시블 OLED 디스플레이와 배터리의 완전 결합길 열려 -
휘어지는 디스플레이의 에너지원으로 반드시 필요한 고효율 유연 배터리를 KAIST 연구진이 세계 최초로 개발하는데 성공했다.
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 유연한 고효율 배터리를 개발하는데 성공, 이 연구결과가 재료분야 세계적 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 8월호 온라인판에 실렸으며, 미국 화학학회 뉴스레터인 C&EN(Chemical & Engineering News)에도 (8월 10일자) 특집으로 보도됐다.
얇고 가벼우면서도 유연한 디스플레이로의 혁신적인 기술 발전을 위해서는 필연적으로 휘어지며 충전밀도가 높고, 폭발위험이 극히 적은 고성능 유연 고상배터리의 개발이 요구돼 왔다.
그러나 고효율 배터리를 만드는 소재 중 산화물 양극재료는 고온의 열처리가 필요하기 때문에 플라스틱 기판위에서는 구현할 수 없을 뿐만 아니라 고온 열처리 없이 분말 형태로 만들 경우에는 충전밀도가 매우 낮다는 문제점이 있었다.
이번에 개발한 고성능 유연 고상배터리는 리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극재료를 운모 희생기판에서 4㎛(머리카락의 약 10분의 1 두께) 정도인 박막형태로 고온 성장시켜 만든 후, 기판으로 쓰인 딱딱한 희생기판을 제거해 얇은 배터리 부분만 남긴 후 유연한 기판위에 전사해 완성했다.
이 교수 연구팀이 개발에 성공한 유연 배터리는 휘어지더라도 전압이 3.9~4.2V로 거의 변하지 않고, 충·방전 10,000번(방전심도 80%) 정도의 안정적 작동과 함께 2200㎼h/㎤의 높은 에너지밀도(패키징 포함)를 지닌 게 큰 특징이다.
이번 연구를 주도한 구민 박사는 “충전밀도가 높은 박막형태의 고효율 유연 배터리는 완전한 형태의 유연 전자 제품를 만드는 데 획기적인 역할을 할 것”이라고 말했다.
이건재 교수 연구팀은 현재 대량생산을 위한 레이저 리프트 오프(Laser lift-off) 기술과 충전용량을 높이기 위해 삼차원으로 적층하는 후속 연구를 진행 중인데, 이들 연구가 끝나는 대로 상용화 수준의 유연 배터리가 나올 것으로 이 교수 연구팀은 예상하고 있다.
한편, 이번 연구결과는 지난 13일부터 일주일간 미국에서 열린 세계적인 국제학회인 국제광자공학회(SPIE)에서 이건재 교수가 기조강연으로 발표했으며, 국내외에서 다수의 특허를 등록하거나 출원했다.
<동영상 설명>http://www.youtube.com/watch?v=Sh-SkpCZ4AE&feature=player_embedded굽힘 상태에서 상용 블루 LED를 켜며 전압특성이 유지되는 유연 배터리 모습
그림1. 연구팀이 이번에 개발한 유연한 배터리와 기존의 휘어지는 OLED를 결합해 만든 최초의 완전한 플렉시블 디스플레이
그림2. 연구팀이 개발한 플렉시블 배터리와 결합된 디스플레이의 구조
그림3. 연구팀이 개발한 휘어지는 배터리가 LED를 켜고 있다. 휘어져도 전압이 떨어지지 않아 안정적이다.
그림4. 휘어지는 고효율 배터리 제작공정. (g)운모를 제거하고 나서 (h)폴리머 기판으로 옮긴 후 (i)폴리머로 감싸는 공정이 연구팀의 독자기술이다.
그림5. 이건재 교수 연구팀이 유연배터리를 희생기판에서 레이저로 제거하는 연구를 수행하고 있다.
2012.08.21
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홍합모방 리튬이차전지용 분리막의 출력 특성 향상
- 재료분야 저명 국제학술지 ‘어드밴스드 머티어리얼스 (Advanced Materials)’ 인터넷판 (5월25일)에 게재
- 출력 특성 증가해 차세대 자동차용 리튬이온전지용 분리막 개발의 핵심 기술이 될 것
우리학교 EEWS 대학원의 최장욱, 박정기 교수 공동 연구팀은 유명현 박사 과정 연구원과 더불어 홍합의 족사를 모방한 고분자를 소재로 한 출력 특성 향상을 위한 분리막 코팅 기술을 개발했다.
이 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지에 25일 인터넷판으로 게재되었다.
리튬이차전지는 현재 대부분의 휴대용 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있으며, 전기자동차(EV)를 필두로 한 차세대 운송수단으로의 에너지원, 더 나아가 신재생 에너지를 저장하는 전력저장 수단으로 주목 받고 있다. 이에 따라 리튬이차전지는 지금보다 더 높은 에너지 밀도와 출력 특성이 절실히 요구되고 있다.
전지의 구성요소인 분리막은 음극 및 양극 사이에 위치하여 두 전극간의 기계적 접촉을 방지할 뿐만 아니라, 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 수행한다. 지금까지의 리튬이차전지에서는 폴리에틸렌 중심의 폴리올레핀 계열의 다공성 분리막이 사용되어 왔지만, 이들 분리막은 현재 사용중인 전해질과 표면 친화성이 떨어져, 전해질과의 젖음 특성 및 함침 특성의 저하를 초래하였다. 이러한 분리막의 특성은 막 내의 이온이동능력 저하시켜 전지의 출력 특성을 감소시키는 큰 원인이 되어왔다. 출력 특성은 전기자동차의 경우, 가속력과 직결되는 것이다.
이에 연구팀은 홍합의 족사를 모방하여 제조한 고분자를 분리막에 코팅함으로써, 리튬 이차전지의 출력특성을 획기적으로 개선하였다. 홍합은 파도에 쓸려가지 않고 바위나 선박 등에 달라붙어 있기 위해 매우 강한 접착력을 가진 접착물(족사)를 분비하는데, 주로 엠이에프피-5(Mefp-5)라는 특정 단백질로 구성되어 있다. 이번 연구에서는 홍합 족사의 해당 단백질을 모방하여 제조한 폴리도파민이라는 고분자가 핵심적인 역할을 했다. 폴리도파민 고분자 코팅은 분리막의 표면에 매우 효과적으로 친수성을 부여하기 때문에 전해질 함침양을 기존 분리막 대비 30% 정도 증가시킬 수 있었다.
그 결과 폴리도파민으로 표면을 처리한 분리막이 도입된 전지의 출력 특성은 기존의 분리막과 대비하여 방전 조건에 따라 최대 2배 정도까지의 향상을 보였다. 또한 홍합의 단백질과 마찬가지로 매우 강한 접착력을 보유하기 때문에 분리막의 표면으로부터 쉽게 떨어지지 않아, 코팅 이후에도 매우 우수한 기계적 물성을 유지할 수 있다는 것이 기존의 연구와 구별된다. 특히, 처리 과정이 쉽고 환경친화적이어서 바로 산업계의 공정에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구는 EEWS Flagship 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.
2011.05.31
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뼈 형성 모방, 고성능 리튬전지 소재 개발
- 재료분야 세계적 학술지 Advanced Materials지 온라인판 게재- 리튬이차전지, 차세대 유․무기 나노복합소재 개발에 응용 가능해
우리학교 신소재공학과 강기석(35세) 교수팀과 박찬범(41세) 교수팀이 뼈의 형성 과정을 모방해 우수한 나노구조를 갖는 ‘리튬이차전지용 전극소재 합성을 위한 원천기술개발’에 성공했다고 22일 밝혔다.
뼈는 자연계에 존재하는 대표적인 나노복합소재로써 콜라겐이라는 단백질 섬유를 따라 칼슘인산염 나노결정이 생성․성장함으로써 생성된다.연구팀은 이러한 자연현상을 모방해 차세대 고안전성 리튬전지용 양극소재인 철인산염을 나노튜브 형태로 합성하는 데 성공했다.
리튬이차전지의 성능을 향상시키기 위해서는 에너지를 저장하거나 방출하기 위한 리튬의 빠른 이동이 필수적이다. 이를 위해 전극소재의 구조를 나노화하게 되면 표면적이 넓어지고 리튬의 확산에 필요한 거리가 짧아지기 때문에 보다 효과적으로 에너지를 저장하거나 방출할 수 있다.
이 기술의 핵심은 3차원 나노 구조를 갖는 생체재료 위에 철인산염을 균일하게 성장시킨 후 생체재료를 효과적 제거해 나노튜브구조를 얻는 것이다.
연구팀은 간단한 단백질의 일종인 펩타이드의 자기조립공정을 이용해 콜라겐 섬유와 유사한 구조 및 물성을 지니는 단백질 나노섬유를 합성한 뒤, 철 이온과 인산이온의 수용액상 침착반응을 이용해 단백질 나노섬유를 철인산염으로 균일하게 코팅했다.
이후 열처리를 통해 펩타이드 나노섬유를 탄화시키면, 내벽이 전도성 탄소층으로 코팅된 철인산염 나노튜브를 얻을 수 있었다 (그림).
연구팀은 철인산염 나노튜브가 차세대 리튬이차전지 전극소재로써 매우 우수한 특성을 가짐을 확인했다.
이번 연구는 생체재료분야와 리튬전지분야의 융합연구를 통해 이뤄졌으며, 기술적인 돌파구가 필요한 리튬전지개발에 이러한 접근방식이 새로운 해결방안이 될 수 있다는 가능성을 제시한 우수한 연구사례로 평가받고 있다.
이 기술을 이용하면 철인산염 외에 각종 다른 기능성 소재 개발에 응용이 가능해 리튬이차전지 뿐만 아니라 차세대 유․무기 나노복합소재 개발이 기여할 것으로 예상된다.
한편, 이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 12월 21일자 온라인판에 실렸다. 또한, 그 중요성을 인정받아 ‘네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)’ 아시아 판에도 소개됐다.
2010.12.22
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"리튬이온 이차전지용 고성능 나노선"개발
- 내연기관 출력과 맞먹는 고성능 리튬 이차전지 개발 길 열려 -
전기자동차 상용화를 위한 가장 큰 걸림돌인 배터리 문제를 해결하는 데 한 걸음 더 나아가게 됐다.
우리학교 신소재공학과 김도경 교수팀은 ‘리튬망간산화물 미세나노선’ 을 개발하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.
이 물질은 기존의 리튬이온 이차전지용 양극물질에 비해 100배 이상의 출력밀도를 나타내며, 제조기법이 단순하고 공정비용도 저렴해 앞으로 전기자동차용 배터리 분야에 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
일반적으로 리튬이온 이차전지는 전기자동차용 배터리에 적용되기에는 충분히 높은 출력밀도를 가지지 못한다.
김 교수팀은 10nm(나노미터, 10억분의 1ｍ) 미만 굵기의 미세나노선 구조를 대량 합성해 양극물질에 적용함으로써, 기존 리튬이온 이차전지보다 100~200배가량 높은 출력밀도를 나타내는 데 성공했다. 이는 엔진으로 사용되는 내연기관의 출력밀도에 근접한 수준이다.
하지만, 지금까지 개발된 리튬이온 이차전지는 내연기관의 출력밀도에 훨씬 미치지 못해 중량이 많이 나갔다. 또한, 값비싼 원료와 공정법을 이용하는 등 리튬이온 이차전지는 전기자동차에 사용하는 데에 있어서 극복해야 할 한계를 안고 있었다.
이번 연구에서는 10nm 미만의 미세한 나노선이 가지는 구조적 유연함을 이용해 기존 리튬망간산화물이 지니고 있었던 ‘얀-텔러 뒤틀림(Jahn-Teller distortion)" 현상을 극복할 수 있음을 보여주었다.
높은 출력밀도를 보인 리튬망간산화물 미세 나노선 제조에 관한 연구는 산업적 응용이 조기에 가능할 것으로 예상되며, 국가 과학기술 경쟁력 제고 측면에 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구 결과는 나노기술(NT) 분야의 가장 권위 있는 학술지인 "나노 레터스(Nano Letters)"지 8월 26일자 온라인 판에 게재됐고, 현재 국내특허 출원 중이다.
<용어설명>
○리튬이온 이차전지 : 이차 전지의 일종으로서, 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연방전이 일어나는 정도가 낮음.
○출력밀도(Power density) : 단위 무게당 출력되는 전력의 정도.
○얀-텔러 뒤틀림(Jahn-Teller distortion) 현상 : 리튬이온전지의 충전과 방전 시 양극물질의 구조가 뒤틀려져 성능이 급격히 저하되는 현상
○리튬망간산화물 : 리튬이온전지에 이용되는 양극재료 중의 하나. 현재 상용화되는 리튬 코발트 산화물에 비하여 원자재 가격이 저렴하며, 친환경적이다.
2010.09.15
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신소재공학과 김도경교수팀, 리튬이온 이차 전지용 고성능 양극소재 원천기술 확보
- 리튬 망간계 스피넬형 나노막대 물질 합성 성공
- 美 화학회 나노레터스(Nano Letters)11월호 논문발표
하이브리드 자동차와 미래의 전지자동차의 핵심부품인 리튬이온 이차전지의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 1차원 나노구조 형태의 리튬망간계 스피넬(spinel, 첨정석, 尖晶石)형 양극소재를 합성하는 원천기술이 개발됐다.
KAIST(총장 서남표) 신소재공학과 김도경(金渡炅, 49세, 입학본부장) 교수가 美 스탠포드대학 이 쿠이(Yi Cui) 교수팀과 공동으로 리튬이차 전지의 충방전 특성과 고온 안정성을 높일 수 있는 리튬망간계 스피넬형의 양극물질을 나노막대 구조로 대량 합성하는 방법을 개발했다. 성능을 확인한 연구결과는 나노과학 분야의 국제적 권위학술지인 "나노 레터스(Nano Letters)" 11월호에 발표됐다.
저공해 하이브리드 자동차와 무공해 전기자동차의 핵심기술이며, 최근 휴대용 전자기기 전원공급 장치의 주종을 이루는 리튬이온 이차 전지는 전 세계의 연구자들이 뜨거운 개발 경쟁을 벌이는 분야다. 현재 상용화된 리튬전지용 양극인 리튬코발트계 소재는 그 특성이 우수하나 가격이 비싸고, 충방전시 발생하는 열에 취약하여 대량의 전류밀도를 필요로 하는 하이브리드 자동차용 등의 적용에는 그 한계가 있다.
이에 반해 리튬망간계 양극소재는 그 원료가 지구상에 풍부하여 가격이 낮고 친환경적인 소재로 평가되며, 안정된 스피넬형 원자구조를 이룰 경우 고온 안정성이 뛰어나다. 다만 충방전 속도가 느리고, 계속되는 충방전 사이클에 따라 특성이 저하되는 단점이 지적되어 이를 극복하기 위해 나노입자화 또는 나노기공의 도입이 시도되었다. 그러나 이들 나노구조화 방법 또한 양극소재의 적층밀도를 낮추어 단위부피당 생산하는 전류밀도를 낮추는 결과를 나타내기 때문에 적층밀도를 높일 수 있는 1차원 나노구조인 나노와이어 또는 나노막대형 전극소재의 개발이 기대되어 왔다.
최근 金 교수팀은 안정된 스피넬구조의 리튬망간 소재를 100나노미터(1나노미터는 백만분의 1미리미터) 굵기의 나노막대 구조로 대량 합성하는 방법을 개발했으며, 이를 리튬이온전지의 양극에 적용한 결과, 높은 전류밀도 조건에서도 충방전 특성이 크게 개선되었음을 확인하였다. 리튬원자가 스피넬 구조에서 빠져나오는 단계인 충전반응에서 나노막대 양극소재는 원자구조가 크게 바뀌지 않는 특성을 갖고 있었으며, 이것이 많은 횟수의 충방전 시에도 그 특성이 저하되지 않는 원인임을 알아냈다. 이번에 개발된 나노소재 합성법은 수열합성법과 일반 열처리를 결합한 공정으로 대량생산에 비교적 쉽게 적용할 수 있어 산업화 또한 조기에 이뤄질 것으로 전망된다.
2008.11.20
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