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중대형 이차전지 전극 재료 개발
우리 학교 EEWS 대학원 윌리엄 고다드(William Goddard III) 교수, 정유성 교수, 최장욱 교수 공동연구팀은 고전압에서 구동하고 1000사이클 이상 안정하게 충방전이 가능한 새로운 나트륨 이차전지의 양극을 개발해 미국한림회보 (PNAS) 2013년 12월 30일자 온라인판에 게재됐다.
나트륨 이차전지는 현재 흔하게 쓰이고 있는 리튬이차전지의 차세대 개념으로서 원재료의 가격이 30~40배 가량 낮아, 스마트 그리드용 에너지 저장 수단으로 관심을 받고 있다.
그러나 현재까지 대부분의 나트륨 전지용 전극 재료는 리튬 이온에 비해 큰 나트륨 이온의 특징으로 인해 충방전 거동이 불안정하고, 전압이 명확하게 나타나지 않는 문제를 극복하지 못했다.
이번 연구에서 공동연구팀은 이러한 한계를 뛰어넘은 바나듐 기반의 전극을 개발했다.
특히, 이번 연구에서는 전극 재료를 디자인하고, 전기화학적 특성을 이해하는데 이론 연구가 결정적 역할을 하여, 차세대 이차전지 연구에 이론 연구의 중요성을 보여주는 선례로 자리잡을 것으로 기대된다.
이는 또한 전세계적으로 진행되고 있는 "소재 지놈 이니셔티브(materials genome initiative)"와 같이 이론 연구가 다양한 분야의 재료 발굴에 핵심적 기능을 할 수 있음을 증명하는 것이어서, 재료 연구에서의 확대되고 있는 이론 연구의 역할을 반영한다.
연구팀은 나트륨 이차전지 분야가 아직은 초기단계에 있지만, 이론과 실험을 접목한 연구를 지속하여 해당 분야의 성숙도를 높이는 것이 후속 연구의 목표라고 밝혔다
2014.01.03 조회수 14620 -
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 조회수 15643 -
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 조회수 16628 -
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 조회수 15131 -
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 조회수 17061