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고용량 배터리 수명 증대 영상화하다
전기자동차에서 볼 수 있는 고용량 배터리에 사용되고 있는 실리콘 활물질은 기존 음극 활물질인 흑연 대비 높은 용량 값(4200 mAh/g)을 갖고 있으나, 충전 및 방전 간 400%에 달하는 높은 부피 팽창/수축률이 배터리 수명에 악영향을 미치고 있다. 이를 해결하기 위해서 단일벽 탄소나노튜브를 소량 첨가해 수명 특성이 향상되는 결과를 얻었는데, 이런 향상이 어떻게 가능한지 나노스케일에서 영상화한 연구 결과가 공개됐다.
우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업해 배터리의 수명 특성 향상 메커니즘 영상화 결과를 국제학술지‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters, Impact Factor: 22)’에 게재했다고 19일 밝혔다. (논문명: Spatially Uniform Lithiation Enabled by Single-Walled Carbon Nanotubes)
연구팀은 이전에는 실리콘 활물질이 충·방전을 거치면서 전자 전도 네트워크가 열화되는 과정을 영상화하였는데, 이번 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브의 존재로 인해서 그 형태를 유지하고 있는 전자전도 네트워크가 활물질 내에 균일한 충·방전이 가능하도록 기능하고 있음을 보여 수명 증대 메커니즘을 검증했다.
구체적으로 연구팀은 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy) 기반의 켈빈 프루브 현미경(Kelvin Probe Force Microscopy)를 이용해 1회 및 90회 충·방전 싸이클 후의 전극 내 천연흑연과 실리콘 산화물 입자에서의 표면 전위를 측정 및 영상화했다. 이를 통해 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube, SW-CNT)가 첨가된 전극에서는 활물질 내 표면 전위가 균일하게 분포하고 있는 반면, 첨가되지 않은 기존 전극의 경우에는 90회 충·방전 후에 불균일한 표면전위를 보여, 전자 전도 네트워크가 제대로 기능을 발휘하지 않아 불균일한 충·방전이 됨을 연구팀은 확인했다.
이처럼 활물질 내부의 표면 전하를 영상화할 수 있는 기술은 실리콘 활물질 뿐만 아니라, 다양한 전극 시스템에 적용될 수 있으며, 향후 배터리 충전 및 방전 상태 균일성을 확인하고 수명 향상 연구로 발전할 수 있다.
이번 연구의 제1 저자인 신소재공학과 박건 연구원은 “충·방전 시 수반되는 실리콘 계열 활물질의 급격한 부피 변화에도 불구하고 가느다란 탄소나노튜브가 전자 전도 채널을 유지하고 이로 인해 전극 내에 균일한 충·방전을 가능케하는 것이 매우 신기한 일이었는데, 이를 나노스케일에서 직접 영상화해 그 역할을 미시세계에서 이해할 수 있었던 것이 큰 의미가 있다”라고 말했다. 교신 저자인 홍승범 교수는 “원자간력 현미경을 활용해서 나노스케일에서 일어나는 전기화학적인 현상을 영상화하고 이를 통해서 배터리 성능 및 수명을 향상할 수 있는 혁신적인 아이디어를 창출할 수 있게 되어 매우 기쁘다”라고 말했다.
이번 연구는 LG에너지솔루션, LG에너지솔루션-KAIST Frontier Research Lab.과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.09.19 조회수 4117 -
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 7567 -
김희탁, 정희태 교수, 수명 5배 늘린 바나듐레독스-흐름전지 개발
〈 김수현 박사과정, 김희탁 교수, 최정훈 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 정희태, 김희탁 교수 공동 연구팀(차세대배터리센터)이 용량 유지율 15배, 수명을 5배 향상시킨 바나듐레독스-흐름전지를 개발했다.
신재생 에너지의 발전과 함께 이를 통해 생산된 에너지를 효율적이고 안전하게 저장할 수 있는 대용량 에너지 저장장치의 필요성이 커지고 있다. 바나듐레독스-흐름전지는 폭발 위험이 없는 이차전지로 대용량화에 적합해 기존 에너지 저장장치를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
김수현, 최정훈 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 5월 3일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Pore Size-Tuned Graphene Oxide Framework as lon-Selective and Protective Layers on Hydrocarbon Membranes for Vanadium Redox Flow Batteries)
기존의 바나듐레독스-흐름전지는 과불소계 분리막의 활물질 투과도가 높아 충․방전 효율과 용량 유지율이 매우 낮다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 낮은 활물질 투과도를 갖는 탄화수소계 분리막을 적용시키고자 했지만 활물질인 바나듐5가 이온에 의해 열화 현상이 발생하고 전지 수명이 급감하는 문제가 있었다.
따라서 활물질인 바나듐 이온의 크기보다는 작으면서 전하 운반체인 수소 이온보다는 큰 기공 크기를 갖는 분리막 개발의 필요성이 커지고 있다.
공동 연구팀은 산화그래핀 간의 가교 반응을 통해 바나듐레독스-흐름전지에 적합한 기공 크기를 갖는 산화그래핀 골격체 분리막을 구현하는 데 성공했다. 가교에 의해 수화 팽창(moisture expansion, 습기나 물을 흡수해 팽창하는 현상)이 제한된 산화그래핀 간 층간 간격을 선택적 이온의 투과를 위한 기공으로 활용하는 원리이다.
이 산화그래핀 골격체는 기공 크기를 통한 분리 성능이 뛰어나 매우 높은 수소 이온-바나듐 이온 선택성을 갖는다.
연구팀의 분리막은 바나듐레독스-흐름전지의 용량 유지율을 기존 과불소계 분리막의 15배, 충․방전 사이클 수명 또한 기존 탄화수소계 분리막에 비해 5배 이상 향상시켰다.
연구팀의 산화그래핀 골격체를 통한 기공 크기 조절 기술은 다양한 크기의 이온을 활용하는 이차전지, 센서 등의 전기화학적 시스템에 적용 가능할 것으로 보인다.
김희탁 교수는 “레독스 흐름전지 분야의 고질적인 문제인 활물질의 분리막을 통한 크로스오버 및 이에 따른 분리막 열화문제를 나노기술을 통해 해결할 수 있음을 보여줬다”며 “바나듐레독스-흐름전지 뿐만 아니라 다양한 대용량 에너지 저장장치용 이차전지에 적용될 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국화학연구원 주요사업, 에너지기술평가원과 기후변화연구허브사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 산화그래핀 골격체를 통한 수화 바나듐 이온과 수소 이온의 선택적 이온 투과에 대한 모식도
그림2. 바나듐레독스-흐름전지의 사이클 용량 특성
2018.06.07 조회수 12877 -
김희탁 교수, 도넛모양 황화리튬 이용 리튬황이온전지 개발
〈 팽민 예 연구교수, 김희탁 교수 〉
우리대학 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 기존 리튬이온전지보다 높은 에너지 밀도를 가지면서 저렴하고 600사이클 이상의 수명을 갖는 도넛 모양 활물질 구조의 리튬황이온전지를 개발하는데 성공했다.
전기자동차의 배터리로 사용되는 리튬이온전지는 낮은 에너지 밀도 때문에 1회 충전시 가능 주행 거리가 짧아 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 리튬황전지의 개발이 10여 년 간 경쟁적으로 이뤄져 왔지만 리튬황전지는 음극인 리튬금속전극의 취약한 가역성으로 인해 전지의 사이클 수명을 확보하는데 어려움이 많았다.
이러한 문제 해결을 위해 연구팀은 리튬금속음극 대신 리튬이온전지에 사용되는 사이클 수명이 우수한 흑연음극 이용과 함께 용량이 높은 황화리튬(Li2S) 양극을 결합해 에너지 밀도와 수명 향상에 힘썼다. 그러나 황화리튬이 고가이고, 흑연음극과 황화리튬 양극의 사이클 수명을 동시에 만족하는 전극 및 전해액 설계기술이 없어 기술적인 한계가 있었다.
이에 연구팀은 저가의 황산리튬(Li2SO4)을 원재료로 도넛 모양의 황화리튬 양극 활물질을 제조했다. 그러면서 고농도 염 전해액을 이용해 흑연음극과 황화리튬 양극을 이용한 리튬황이온 전지를 구현했다. 내부가 비어있는 도넛 모양의 황화리튬은 리튬이온의 전달력을 향상시켜 높은 충, 방전 가역성을 보였고, 고농도 염 전해액은 흑연전극 표면에 안정적인 막을 형성해 우수한 내구성을 보였다.
연구팀은 이 기술을 통해 기존 리튬이온전지보다 30% 높은 에너지 밀도를 구현함과 동시에 600사이클 이상의 수명을 확보하는 데 성공했다. 연구팀의 도넛모양 황화리튬 전극은 저가의 원재료를 이용하면서 단일 열처리 공정으로 제조할 수 있고, 기존 리튬이온전지에 적용할 수 있어 산업적으로 활용할 수 있을 것으로 보인다.
김희탁 교수는 “저가 황 화합물을 리튬이온전지에 적용해 에너지 밀도와 수명을 동시에 향상시킬 수 있음을 증명했다”고 말했다. 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 한국과학기술연구원 및 한국연구재단 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
팽민 예(Fangmin Ye) 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 지난 7일자 온라인 판 논문에 게재됐다.
□ 그림 설명
그림1. 도넛 모양 황화리튬 활물질 구조 및 제조 원리
2018.05.24 조회수 13971