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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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홍원희교수팀, 다양한 나노구조유도 기술개발
생명화학공학과 홍원희교수팀, 이온성액체를 이용한 다양한 나노구조 유도 기술 개발
-무기산화물, 탄소나노튜브, 그래펜, 유무기 하이브리드 등 다양한 재료의 나노구조를 유도--상용 산화철보다 10배 이상의 흡착 및 광촉매 효율 높여-
공과대학 생명화학공학과 홍원희 교수팀(62)은 이온성액체를 이용한 자기조립기술을 이용해 탄소나노튜브, 그래펜, 무기산화물, 유무기 복합체에 이르기까지 다양한 재료의 나노구조를 유도할 수 있는 기술을 최근 개발했다.
이 연구결과는 ‘광촉매 응용을 위한 이온성액체를 이용한 무기산화물 하이브리드의 에너지 전달(Energy Transfer in Ionic-Liquid-Functionalized Inorganic Nanorods for Highly Efficient Photocatalytic Applications)’이라는 제목으로 나노분야의 저명 학술지인 스몰(Small)지에 지난 11월 게재됐다.
이 기술은 이온성 액체의 구조 유도와 용매 기능을 이용한 무기산화물 하이브리드 나노재료를 제조할 수 있는 ‘청정 한 반응기 이온열 합성법(Green One-Pot Ionothermal Synthesis)’이다. 대기압하의 열린반응기내에서 제조된 무기산화물 나노재료는 쉽게 물이나 다양한 유기 용매에서 분산된다.
홍교수팀은 이 합성법을 산화철 계열의 무기산화물 나노재료에까지 적용해 0차원에서 1차원에 이르기까지 구조를 제어했고, 계면에서의 에너지 전이현상을 통해 상용 산화철보다 10배 이상의 흡착 및 광촉매 효율을 높였다.
이 기술을 바탕으로 제조된 나노재료는 유기물 산화 및 분해기능이 뛰어나 태양광만으로 폐수처리가 가능하다. 이로써 페수처리 과정에서 에너지 소비와 이산화탄소의 배출량을 줄일 수 있고, 광촉매가 가지는 우수한 항균 및 탈취기능은 건축재료 분야에 응용될 것으로 기대된다. 또한, 태양광을 이용한 물의 광분해로 수소 에너지원 생산도 가능하다.
홍교수는 “이번 연구는 이온성 액체의 청정용매로써의 기능을 이용해 나노기술이 가지는 인간과 환경에 대한 악영향을 감소시키고, 동시에 디자인된 나노재료에 새로운 기능을 부여해 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 대안을 마련했다”는데 의미가 있다고 말했다.
현재 홍교수팀은 친환경 합성법으로 제조된 무기산화물, 탄소나노튜브, 그래펜, 유.무기 하이브리등의 나노재료를 환경 및 에너지 분야에 적용하는 연구를 진행하고 있다.
※ 보충자료나노 스케일에서의 재료나 현상을 연구하고 구조나 구성 요소를 제어해서 새로운 소재‧소자‧시스템을 개발하는 나노 기술 역시, 환경 유해성이나 인체 독성에 대한 연구 결과가 발표되면서 친환경 기술에 대한 관심이 급증하고 있다.
이온성 액체는 소금과 같이 양이온과 음이온의 이온결합으로 이루어진 이온성 염 화합물로써 상온에서부터 넓은 온도에 걸쳐 액체로 존재할 수 있는 ‘청정용매(Green Solvent)’라고 불리면서 각광을 받고 있다. 특히, 이론적으로 1018가지 정도의 조합에 의해서 비휘발성, 비가연성, 열적 안정성, 높은 이온전도도, 전기화학적 안정성, 높은 끓는점 등의 물리화학적 특성을 쉽게 변화시킬 수 있어서 다기능성(multifunctional) ‘디자이너용매(Designer Solvent)’로 사용가능하다.
세계적으로 아직 초기단계이긴 하지만, 미국 국방관련 연구소 (US Air Force, US Naval Research Laboratory) 및 국가 연구소 (Argonne 연구소, Oak Ridge 연구소, Brookhaven 연구소), 독일의 Max Planck 연구소, 스위스 EPFL의 Gratzel 그룹, 일본의 도쿄대, G24i & BASF 등이 최근 이온성 액체를 이용한 나노기술 응용 분야에 주목하면서 집중 투자와 연구를 진행하고 있는 반면, 국내에서는 아직 시작 단계에 불과할 정도로 뒤쳐져 있다.
홍 교수 팀의 연구결과는 기존 산업뿐만 아니라, 전 세계적으로 주목 받고 있는 ‘녹색 성장기술’과 21세기를 선도할 ‘첨단 나노기술’을 융합한 ‘청정 나노기술(Green Nanotechnolgy)’의 원천기술로써 활용될 수 있으며 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보할 수 있을 것으로 전망된다.
현재까지 이온성액체는 유기합성, 전기화학, 화학공학, 생물공학 및 분리공정 등을 포함하는 여러 분야에서 유기 용매를 대체하기 위한 ‘지속가능기술(sustainable technology)’로써 향후 산업 전 분야에 걸쳐서 엄청난 파급효과가 있을 것으로 기대되고 있다.
※ 용어설명 ○ 열린반응기 : 고압,저압의 용기가 아닌 대기압하의 일반용기 즉, 비이커 등.
<그림1> 대표적인 이미다졸륨계 이온성액체의 분자 구조
<그림2> Green One-Pot Ionothermal Synthesis에 의한 물에 분산되는 산화철 나노 막대기의 합성 과정 모식도.
2009.12.14
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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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