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세계 최고 전기차 이차전지 수명 획기적 연장
전기차 시대의 가속화에 따라 1회 충전에 긴 주행거리를 가능하게 하거나 전 세계 평균 기온에 속하는 넓은 온도 범위(-20~60도)에서 충전과 방전을 할 수 있는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발의 중요도가 커지고 있다.
우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지의 높은 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 개발된 전해액은 기존에 보고되지 않은 새로운 *솔베이션 구조를 형성했으며 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다.
☞ 솔베이션 구조 : 일반적으로 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는데 이를 솔베이션 구조라고 함. 이러한 솔베이션 구조 개선 기술은 염 농도를 증가시키지 않고 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 인자임.
최남순 교수 연구팀은 기존에 보고된 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 전해액들과는 달리 넓은 온도 범위(-20~60도)에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호기술을 적용해 기존 연구 결과보다 현저하게 향상된 *가역 효율 (영하 20도 300회 99.9%, 상온 200회 99.9%, 고온 45도 100회 99.8%)을 달성했다.
☞ 가역 효율 : 매 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나누어 백분율로 나타낸 값으로 배터리의 가역성을 의미함. 가역 효율이 높을수록 매 사이클마다 배터리 용량 손실이 적음을 의미함. 아무리 높은 용량을 구현하는 배터리라도 가역성이 높지 않다면 실용화가 어려움.
또한, 완전 충전-완전 방전조건에서 첫 사이클 방전 기준 용량 80%가 나오는 횟수까지를 배터리 수명으로 보고 있는데 개발된 전해액 기술은 상온(25도)에서 200회 충·방전 후에 첫 번째 사이클의 방전용량 대비 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였다. 또한, 고온(45도)에서 100회 충·방전 후 91.5% 발현, 저온(영하 20도) 구동에서도 300회 충·방전 후 72.1% 발현하는 등 완전 충전-완전 방전조건에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율을 보여줬다.
이번 연구에서 개발된 새로운 솔베이션 구조를 가지는 전해액(partially and weakly solvating electrolyte; PWSE) 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 영하 20도에서 60도의 넓은 온도 범위에서 극대화된 성능을 얻었다는 점에서 그 의미가 크다. 여기에 더해 60도와 80도 고온 저장에서도 저장 성능이 유지됨도 확인했다. 특히 리튬금속 전지용 전해액 기준 프레임을 제시한바, 이는 리튬이차전지 전해액 시장에서 게임 체인저가 될 것이라고 연구진은 설명했다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 "새로운 솔베이션 구조에 의한 리튬 이온의 이동도 향상과 구동 온도 범위의 확장 그리고 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과에 의해 기존에 보고된 리튬금속 전지용 전해액 기술 개발의 한계를 뛰어넘는 기술을 개발하게 됐다ˮ라고 말했다.
최남순 교수는 "개발된 전해액 기술은 기존에 보고된 전해액들과는 달리 리튬이온을 끌어당기는 힘이 다른 두 개의 용매를 사용하여 리튬이온이 잘 이동하게 하고 전극 표면에서도 원하지 않는 부반응을 감소시키는 새로운 솔베이션 구조를 형성해 리튬금속 전지 구동 온도 범위를 넓힌 획기적인 시도ˮ라며 "이러한 솔베이션 구조 개선 기술과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과는 고에너지 밀도 리튬금속 전지에서의 난제들을 효과적으로 해결하고 전해액 설계에 있어서 새로운 방향을 제시했다ˮ라고 연구의 의미를 강조했다.
생명화학공학과 최남순 교수와 김세훈, 이정아, 김보근, 변정환 연구원과 경상국립대학교 나노신소재융합공학과 이태경 교수, UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수, 백경은 연구원, 이현욱 교수, 김주영 연구원 진행한 이번 연구는 국제 학술지 `에너지 & 인바이론멘탈 사이언스 (Energy & Environmental Science)'에 9월 13일 字로 온라인 공개됐다 (논문명 : Wide-temperature-range operation of lithium-metal batteries using partially and weakly solvating liquid electrolytes).
한편 이번 연구 수행은 솔베이 스페셜티 폴리머즈 코리아 (Solvay Specialty Polymers Korea)의 지원과 ㈜후성으로부터 첨가제 합성 지원을 받아 수행됐다.
2023.10.04 조회수 2597 -
고용량 차세대 배터리 수명 향상 소재 개발
전기자동차를 구매할 때 가장 망설이게 만드는 요인은 한번 충전으로 운행할 수 있는 주행거리가 짧다는 점이다. 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리를 많이 탑재해야 하는데, 이는 차체의 무게와 가격을 증가시키는 문제가 생긴다. 이에 따라 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장해 주행거리를 늘릴 수 있는 고용량 배터리 개발이 시급한 상황이다.
우리 대학 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.
현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 `하이니켈(Ni)' 양극 소재가 사용되고 있다. 배터리 양극 소재는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 산화물인데, 니켈의 함량이 높을수록 용량이 높다(200mAh/g). 그러나 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계를 드러내고 있으며, 연구팀은 하이니켈 양극 소재의 대안으로 리튬 과잉 양극 소재를 제안했다.
리튬 과잉 양극 소재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로, 저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g 에 달해, 기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다. 그러나, 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하고 있는 산소가 기체가 돼 비가역적으로 추출되는 반응이 일어난다. 이에 따라, 산화물 양극재의 구조가 붕괴되고 배터리 성능이 급격히 감소해 사용되지 못하고 있다.
조은애 교수 연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술을 개발해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공했다. 리튬 과잉 양극 소재가 첫 충·방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만, 바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈으며, 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다.
조은애 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하게끔 하였다ˮ고 설명하며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다ˮ고 말했다.
신소재공학과 이용주 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 1월 29일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Promoting the Reversible Oxygen Redox Reaction of Li-excess Layered Cathode Materials with Surface Vanadium Cation Doping)
한편 조은애 교수팀이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업과 KAIST 글로벌 특이점 연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
2021.03.03 조회수 88713 -
그래핀, 원하는 모양대로 오려낸다
〈 김 상 욱 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 손상 없이 나노 그래핀을 원하는 모양대로 오려낼 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
그래핀은 탄소가 육각형의 벌집모양 형태로 화학결합을 한 상태이다. 이 결합을 원하는 대로 오려낼 수 있다면 나노형태를 갖는 탄소소재를 만들 수 있다. 따라서 그래핀을 응용하기 위해 탄소를 잘 오려내는 것은 많은 연구자들의 과제였다.
그러나 탄소와 탄소 간의 매우 강한 결합을 끊어내기 위해서는 그에 걸 맞는 강한 화학 반응을 사용해야 한다. 이로 인해 그래핀을 오려낼 때 원하는 그래핀의 부위 뿐 아니라 그 주변이 함께 찢어지고 손상됐다.
기존의 그래핀을 한꺼번에 찢는 기술들은 예외 없이 탄소의 물성이 손상되는 한계가 있었다. 종이를 잘 오려내지 못하면 너덜너덜해지는 것과 같은 원리이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 흔히 사용하는 이종원소 도핑 기술을 활용했다. 종이에 홈을 깊게 파거나 작은 구멍을 내면 그 부분을 따라서 종이가 찢어지는 것과 같은 원리이다.
탄소와 탄소가 결합한 평면에 질소나 다른 원소를 심어 구조적 불안정성을 유도한 뒤 전기화학적 자극을 주면 탄소 이외의 부분이 쉽게 찢어진다. 여기서 질소 등의 다른 원소가 종이의 홈 역할을 하게 된다.
연구팀은 도핑되는 이종원소의 양을 조절해 그래핀이 오려지는 정도가 매우 정밀하게 제어되고, 그래핀의 2차원적 결정성이 전혀 손상되지 않는 고품질의 나노그래핀을 제작했다. 그리고 이 기술을 활용해 최고 수준의 에너지 전달 속도를 갖는 슈퍼캐패시터(고용량 축전기)를 구현했다.
또한 이 오려내기 기술로 만들어진 나노그래핀에 특정 화학기능기가 다량 존재하는 것으로 밝혀졌다. 이 화학기능기는 고분자, 금속 및 반도체 나노입자 등 다양한 이종물질과 쉽게 융합해 고성능의 탄소복합소재 구현이 가능할 것으로 기대된다.
연구팀은 “2차원적 결정성의 손상 없는 나노구조 조절 원리가 보고된 바 없어 그래핀 분야의 큰 숙제로 남았었다”며 “품질의 저하 없이 그래핀 면을 나노크기로 오려낼 수 있음을 최초로 증명한 성과이다”고 말했다.
김 교수는 “이 기술의 실용화를 위해선 이종원소의 도핑 위치 제어 기술이 선행돼야 한다”며 “이번 연구로 얻은 나노그래핀을 활용해 기계적, 전기적 특성이 우수한 섬유 형태의 탄소소재를 개발할 것이다”고 밝혔다.
나노과학기술대학원 김용현 교수, 화학과 김현우 교수와 공동연구로 진행된 이번 연구는 임준원 박사과정 학생이 1저자로 참여했으며, 미래창조과학부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 절개된 산소나노튜브
그림2. 도핑된 이종원소부터 탄소나노튜브의 벽이 오려진 후 장축 방향으로 길게 잘라져 나노그래핀이 만들어지는 과정
2016.01.25 조회수 10432 -
EEWS 대학원 최장욱 교수, '이달의 과학인상' 수상
우리 학교 EEWS 대학원 최장욱 교수가 지난달 30일 대전광역시에서 주관하는 이달의 과학자상을 수상했다.
이날 염홍철 대전시장은 총장실을 방문해 최 교수의 연구를 치하하고 상패를 전달했다.
최 교수는 최근 이차전지 분야에서 고용량 전극 소재 기술 및 신개념 웨어러블 응용 분야에서 괄목할만한 업적을 거뒀다.
2014.06.02 조회수 8734