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음극재 없는 고에너지 리튬 배터리 구동을 위한 음극 집전체 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수(차세대이차전지인력양성센터장) 연구팀이 음극재가 없는 고에너지밀도 리튬 배터리 구동을 위한 음극 집전체 구조를 개발하고, 그 작동원리를 규명했다고 7일 밝혔다.
생명화학공학과 권혁진 박사과정과 이주혁 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)' 9월 20일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: An electron-deficient carbon current collector for anode-free Li-metal batteries)
음극재가 없는 리튬 전지(Anode-free Li battery)는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지의 많은 부피와 무게를 차지하는 흑연 음극재를 없앤 차세대 구조의 전지다. 그 대신에 음극 활물질을 저장해두는 구리 집전체만이 음극 부품으로 들어가며, 집전체 위에 높은 에너지밀도를 가지는 리튬 금속 형태로 에너지가 저장된다.
음극재가 없는 리튬 전지는 기존 리튬이온전지와 비교해 60% 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다는 점 때문에 산업계와 학계에서 활발하게 연구가 진행되고 있다.
하지만 리튬 이온이 흑연에 저장되지 않고 리튬 금속 형태로 음극에 저장될 경우, 리튬 금속의 수지상 성장으로 인해 지속적으로 비가역적인 리튬의 손실이 발생하며 충·방전 효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 발생한다. 또한, 반응성에 차이가 있는 구리와 리튬 사이에 미세전류가 흐르면서 리튬의 부식과 동시에 구리 표면에서 전해액이 분해되는 `갈바닉 부식(Galvanic corrosion)'이 발생한다.
김희탁 교수는 3차원 음극 집전체 표면의 일함수(고체의 표면에서 전자를 빼내는 데 필요한 에너지)를 높여 리튬의 수지상 성장을 억제하고 집전체 표면에서 리튬과 전해액의 부식을 억제할 수 있음을 규명하고 음극재 없는 리튬전지의 구동이 가능함을 검증했다.
연구팀은 탄소 집전체 표면에 인위적으로 탄소 결함 구조를 도입해 일함수를 높였고, 전자가 집전체 표면으로부터 탈출하기 어려워져 전해질이 전자를 받아 분해되는 환원반응이 크게 억제되는 현상을 확인했다. 동시에 일함수가 낮은 특성을 가지는 리튬 금속과는 강하게 상호작용을 하면서 집전체 위에 리튬 금속의 균일한 성장을 유도하고 안정적으로 에너지를 저장할 수 있음을 검증했다. 연구팀은 개발된 집전체를 통해 기존 구리 집전체 대비 월등하게 높은 성능을 보여줬고, 동시에 극미량의 전해액만이 전지 내에 주입되는 희박 전해액 환경에서도 구동할 수 있음을 확인했다.
김희탁 교수는 "이번 연구결과는 리튬 배터리의 궁극적 형태인 음극재 없는 리튬 배터리의 구현을 위한 집전체 설계 방향을 새롭게 제시했다는 점에서 중요한 의미가 있다ˮ라고 말하면서, "이를 바탕으로 다양한 차세대 리튬 전지의 음극 설계에 응용되기를 기대한다ˮ고 말헀다.
한편 이번 연구는 LG에너지솔루션, KAIST 나노융합연구소, 과학기술정보통신부 기후변화대응과제의 지원을 받아 수행됐다.
2021.10.08 조회수 9272 -
김일두 교수, 3D 프린팅 통한 맞춤형 디자인 배터리 제작
〈 왼쪽부터 안복엽 박사, 김찬훈 박사, 김일두 교수, 제니퍼 루이스 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 미국 하버드 공과대학 제니퍼 루이스(Jennifer A. Lewis) 교수와의 공동 연구를 통해 배터리 디자인의 자유도를 획기적으로 높일 수 있는 기술 개발에 성공했다.
KAIST-하버드 공동 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용해 배터리의 형상을 반지 모양, 대문자 알파벳 H, U 등의 글자 모양을 포함해 원하는 구조로 자유롭게 제조하는 데 성공했다. 또한 한국화학연구원 최영민 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 소형 인체 착용형 광센서 반지에 3D 프린팅 배터리를 적용했다.
신소재공학과 김찬훈 박사, 하버드 공과대학 안복엽 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야의 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 12월호에 게재됐다.
현재 사용되는 배터리 형상은 코인셀 또는 파우치셀 제작에 최적화된 원형 또는 사각형 구조로 제한돼 있다. 각기 다른 디자인을 갖는 소형 전자소자의 경우 배터리 저장장치가 부피 대부분을 차지하기 때문에 효율적인 공간 활용을 위해서는 배터리의 형상을 자유자재로 바꾸는 기술이 필요하다.
연구팀은 자유로운 디자인을 갖는 배터리를 만들기 위해 친환경 물 기반 아연 이차전지(Zn-Ion battery) 시스템을 도입했다. 리튬이온 대신 아연이온(Zn2+)을 전하 운반체로 사용하는 이 시스템은 물을 전해질의 일부로 사용하기 때문에 높은 인화성의 유기용매를 전해질로 사용하는 기존 리튬 이차전지보다 안전하다.
유기용매는 수분 및 산소에 노출될 경우 배터리 열화의 원인이 돼 리튬 이차전지의 제조 공정을 어렵게 하는 요인 중 하나이다. 연구팀이 도입한 수계 아연 이차전지는 대기 중의 수분 및 산소에 안정적이기 때문에 보다 간편한 대기 공정 조건에서 제조할 수 있다.
특히 3D 프린터를 이용한 플라스틱 패키징 적용에도 물은 플라스틱 패키징을 녹이지 않아 보다 간편하게 패키징이 가능한 장점이 있다.
연구팀은 자유로운 형태로 재단이 간편하고 고속 충, 방전이 가능하도록 양극을 설계하기 위해서 전기방사 기술을 이용해 탄소섬유(Carbon fiber) 전류집전체를 제조했다.
이후 전기화학적 활성이 높은 폴리아닐린 전도성 고분자를 탄소섬유 표면에 매우 균일하게 코팅해 전류집전체 일체형 양극을 제조했다.
3D 구조를 갖는 얇은 섬유로 이루어진 폴리아닐린 기반 양극은 2분 동안 50%를 충전하는 매우 빠른 충전 속도를 보였고, 활물질의 손실 없이 쉽게 재단할 수 있어 이를 기반으로 다양한 형태의 배터리 제작이 가능할 것으로 기대된다.
김 교수는 “수용성 전해질을 이용하는 아연 이차전지는 일반 대기 환경에서 배터리 패키징 조립을 할 수 있어 3D 프린팅을 활용하면 고객 요구에 맞는 맞춤형 배터리 팩을 손쉽게 제작할 수 있다”라며 “초소형 마이크로 로봇의 외형에 잘 맞는 전력 장치나 특이한 디자인의 소형 전자소자의 저장장치로 응용 가능성이 높다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 글로벌연구실 및 웨어러블 플랫폼센터의 지원을 받아 수행됐다.
한편 김일두 교수는 이번 12월부터 연구가 게재된 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 부편집장(Associate Editor)으로 선임이 돼 투고 논문의 심사 여부를 판단하고 심사자(reviewer) 선정 및 게재 승인 여부를 결정하게 된다.
미국과 유럽, 중국이 과학기술을 선도하는 환경에서 40대의 나이에 권위학술지의 부편집장 선임은 대한민국의 과학발전이 세계적으로도 인정받고 있음을 보여주는 결과이다.
김 교수는 “2018년도 13.709의 피인용지수와 134,596회에 달하는 인용횟수를 갖는 세계적인 권위의 학술지 에이씨에스 나노 부편집장으로 선임돼 영광이다”라며 “에너지 및 센서 분야에 투고된 논문들에 대한 에디터 활동을 통해 KAIST의 위상을 높이고, 대한민국 과학기술의 저변 확대와 세계적인 연구팀들과의 국제협력 기회를 더욱 만드는데 공헌하고 싶다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 3D 프린팅 기술을 이용한 자유형상 배터리 제조
그림2. 3D 프린팅 방법으로 제조된 자유형상 배터리 및 응용
2018.12.19 조회수 10689