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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 95136 -
김희탁 교수, 바나듐레독스 흐름전지용 전해액 신공정 개발
〈 김희탁 교수, 허지윤 박사과정, KIER 이신근 박사〉
우리 대학 생명화학공학과/나노융합연구소 차세대배터리센터 김희탁 교수와 한국에너지기술연구원(원장 곽병성) 에너지소재연구실 이신근 박사 공동연구팀이 생산 비용을 40% 줄인 바나듐 레독스 흐름전지용 고순도 전해액 생산 공정 개발에 성공했다.
허지윤 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 9월 27일 자 온라인판에 게재됐고, 우수성을 인정받아 에디터 하이라이트(Editor’s Highlight)로 선정됐다. (논문명: Catalytic production of impurity-free V3.5+ electrolyte for vanadium redox flow batteries)
최근 리튬이온전지 기반 대용량 에너지 저장장치의 발화사고가 빈번하게 발생하면서 수계 전해질을 이용하는 비 발화성 바나듐 레독스 흐름전지에 대한 관심이 커지고 있다.
바나듐 레독스 흐름전지는 안전성뿐 아니라 내구성 및 대용량화의 장점이 있어 대용량 에너지 저장장치로의 응용이 기대되고 있으나, 리튬이온전지 대비 높은 가격으로 인해 시장 확대가 지연되고 있다.
바나듐 레독스 흐름전지의 부품 소재 중 바나듐 전해액은 전지의 용량, 수명과 성능을 결정하는 핵심 소재이며 전체 전지 가격의 50% 이상을 차지하고 있어, 바나듐 전해액의 저가격화는 바나듐 레독스 흐름전지 시장 확대의 핵심이라 할 수 있다.
상업적으로 이용되는 바나듐 전해액은 3.5 가의 산화수를 가지며, 이는 5가의 바나듐옥사이드(V2O5) 전구체를 전기분해를 이용해 환원시켜 제조된다. 그러나 전기분해 방식은 고가의 전기분해 장치가 필요하고 에너지 소비가 크며 전기분해 중 생성되는 높은 산화수의 전해액의 재처리가 필요하다.
이에 전기분해 방식을 벗어나 화학적으로 바나듐을 환원시키는 공정이 전 세계적으로 연구됐지만, 환원제의 잔류물에 의한 전해액 오염으로 인해 상업화에 성공한 사례가 없었다.
김 교수와 이 박사 공동연구팀은 유기 연료전지의 촉매 기술을 응용해 잔류물이 남지 않는 환원제인 포름산의 활성을 증대시켜 바나듐을 3.5가로 환원시키는 기술을 개발했다.
연구팀은 이 기술을 이용해 시간당 2리터(L)급 촉매 반응기를 개발했고 연속 공정을 통한 고순도의 3.5가 바나듐 전해액 생산에 성공했다.
이번 촉매반응을 이용한 제조공정은 전기분해 방식 대비 효율적인 공정 구조를 가져 생산 공정 비용을 40% 줄일 수 있다. 또한, 촉매 반응기를 통해 생산된 전해액은 기존 전기분해 방식으로 만들어지는 전해액과 동등한 성능을 보여 그 품질이 검증됐다.
나노융합연구소 차세대배터리센터장 김희탁 교수는 “촉매를 이용한 화학적 전해액 제조기술은 원천성을 가지고 있어, 비 발화성 대용량 에너지 저장장치 분야의 국가 경쟁력을 높일 수 있다”라고 말했다.
한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 이신근 박사는 “한국에너지기술연구원에서 개발된 촉매 반응기를 통해 기술의 산업화가 촉진될 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 ESS기술개발 사업의 지원을 받아 KAIST, 에너지기술연구원, 연세대학교, ㈜이에스가 참여한 컨소시엄을 통해 개발됐다.
□ 그림 설명
그림1. 촉매반응을 통한 3.5가 바나듐 전해액의 생산 및 기존 전기분해를 이용한 3.5가 전해액 생산 비교
그림2. 연구에서 개발된 촉매반응기 및 이를 이용한 전해액 연속 제조
2019.10.28 조회수 19593 -
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 18188 -
생명화학공학과 학부팀, 美화학공학회 Chem-E-Car 대회 우승
〈우승을 차지한 생명화학공학과 학부 팀〉
우리 대학 생명화학공학과 학부생 팀(지도교수 이도창)이 11월 13일 미국 샌프란시스코 유니온 스퀘어에서 열린 케미카(Chem-E-Car) 대회에서 우승을 차지했다.
미국화학공학회(AIChE) 주최로 1999년부터 매년 개최된 케미카 대회는 화학공학을 전공하는 전 세계 대학생이 참여한다. 올해는 카네기멜론 대학, 퍼듀 대학 등 세계의 41개 대학이 참여했으며 우리 대학은 생명화학공학과 차영현, 신진솔, 오대석, 김완태 학생이 참가했다.
2014년 처음 참가해 28위에 그쳤던 우리 대학은 2015년 16위를 차지했고, 올해는 세계적 명문대학인 조지아 공대를 제치고 우승을 차지했다.
케미카 대회는 화학반응으로 구동되는 자동차를 제작하고 그 차량의 제어 기술 수준을 겨루는 대회이다. 목표 지점에 가장 빠르게 도착하는 성능 뿐 아니라 도착점에 자동차가 정확하게 정지하는 것이 중요하다. 즉, 화학 반응을 세밀하게 제어할 수 있어야 좋은 성적을 거둘 수 있다.
대회 규칙 상 반드시 화학반응으로만 자동차를 제어해야 하고 경연 당일 현장에서 주행해야 할 거리와 수송할 화물의 무게가 결정된다.
이를 위해 KAIST 팀은 화학반응이 신속하고 정확한 요오드시계반응(iodine clock reaction)을 이용했고, 생명화학공학과 김희탁 교수의 바나듐 산화환원 화학전지를 통해 안정적인 출력을 갖는 자동차를 제작했다.
KAIST 팀은 경연 당일 미션으로 제시된 17미터의 주행거리를 결승지점에서 가장 근접한 11센티미터 앞까지 주행해 1위를 차지했다. 2위를 차지한 조지아 공대는 13센티미터 앞에서 정지했다.
우승을 차지한 차영현 학생은 “처음 차를 제작할 때는 작동이 되지 않거나 연결이 안 되는 등 여러 가지 문제가 발생했다. 계속된 수정과 노력을 통해 가장 좋은 결과를 낼 수 있었던 것 같다”고 말했다.
1908년 설립된 미국화학공학회는 100개 이상의 국가에서 4만 5천명 이상의 회원을 보유한 세계 최대의 화학공학 전문조직으로 높은 전문적 기준과 윤리, 교육의 증진을 지원하는 단체이다.
2016.11.30 조회수 17277 -
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 18936