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기존 불소계 전해질 대체할 고성능 비불소계 전해질 개발
우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 포항공과대학교 조창신 교수 연구팀과 공동연구를 통해 장수명 소듐(나트륨) 금속 음극 및 고출력 해수 전지를 위한 비불소계 전해질을 개발했다고 28일 밝혔다.
불소(F)는 전지의 전기화학적 성능을 향상시키는데 크게 기여하여 현재 상용화된 리튬-이온 전지 외에도 다양한 차세대 전지 전해질의 필수 요소로 자리매김하고 있다. 다만, 비싼 가격, 인체 및 환경에 유해하며 강한 독성이라는 문제점을 가져 이를 대체할 비불소계 전해질 (F-free electrolyte) 개발이 필수적이다.
이 교수 연구팀은 기존 불소계 전해질을 대체할 수 있는 비불소계 전해질을 설계해 매우 뛰어난 가격 경쟁력과 불소계 전해질의 전기화학적 성능을 상회하는 전기화학적 성능을 달성했다.
생명화학공학과 김진욱 박사과정, 김지오 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `에너지 인바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)' 10월 10권 15호에 출판됐으며, 후면 표지논문(outside back cover)로 선정됐다. (논문명 : Designing Fluorine-Free Electrolytes for Stable Sodium Metal Anodes and High-Power Seawater Batteries via SEI reconstruction)
소듐 금속 음극은 기존 리튬 이온 전지의 흑연 음극을 대체할 수 있는 높은 이론적 용량과(흑연: 372 mAh g-1, 소듐 금속: 1,166 mAh g-1) 리튬에 비해 매우 높은 지각 내 존재비로 인해(리튬: 0.002%, 소듐: 2%) 각광받고 있는 차세대 음극 소재 중 하나다.
하지만 소듐 금속 음극은 매우 강한 화학적, 전기화학적 반응성 때문에 지속적으로 유기 전해액과 반응해 소듐 표면에 불균일하고 두꺼운 고체-전해질 계면을 형성하고, 이는 충전 과정에 소듐 금속의 수지상 성장(나뭇가지 모양 성장)을 일으킨다. 소듐 금속의 수지상 성장은 고체-전해질 계면을 파괴해 새로운 소듐 금속을 유기 전해액에 노출시키고 추가적인 전해질 분해를 일으키며, 낮은 쿨롱 효율, 전지 단락 등을 발생시켜 전지 구동에 치명적이다.
기존 불소계 전해질은 소듐 금속 표면에 불화 소듐을(NaF) 형성해 앞서 언급한 소듐 금속의 수지상 성장을 억제한다. 불화 소듐은 강한 기계적 성질로 인해 소듐 금속의 수지상 성장을 물리적으로 억제할 수 있음이 널리 알려져 있으나 불소계 전해질의 높은 가격, 불산(HF) 부산물 형성 등의 치명적인 문제점이 수반된다.
연구팀은 수소화 소듐(NaH)이 불화 소듐을 대체할 수 있다는 최근 연구 보고에 착안해 수소화붕소 소듐(NaBH4) 염을 이써 (ether, C-O-C 결합을 포함) 계열 유기용매에 녹인 전해질을 설계했다. 수소화붕소 소듐은 환원제의 일종으로 유, 무기 합성이 필요한 산업계에서 널리 사용되는 물질이다. 따라서, 같은 부피의 불소계 전해질을 제작하는 것에 비해 5~10% 정도의 비용만이 소요돼 큰 가격 경쟁력을 가진다.
연구팀은 비행시간형 이차이온 질량 분석을 통해(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, TOF-SIMS) 수소화붕소 소듐 기반의 전해질이 수소화 소듐이 우세한 고체-전해질 계면을 형성함을 밝혔다.
또한, 산화된 소듐 금속을 수소화붕소 소듐에 장시간 담가뒀을 때, 산화막이 점차 수소화 소듐으로 전환되는 것을 비행시간형 이차이온 질량 분석을 통해 확인했으며, 온라인 전기화학 질량 분석(Online Electrochemical Mass Spectrometry)을 통해, 수소화붕소 소듐 전해질을 이용해 전지 제작 후 8시간 정도의 휴지기에 수소 기체가 형성되는 것을 확인했다.
결론적으로, 소듐 금속은 산화하려는 성질이 강해 표면에 불가피하게 산화막을 형성하는데, 수소화붕소 소듐은 환원성이 강해 표면 산화막을 환원시킬 수 있다. 소듐의 표면 산화막이 환원되면서 수소 기체가 발생함과 동시에 다시 소듐 금속과 반응해 수소화 소듐이 생성되며 연구팀은 이를 `고체-전해질 계면 재건 현상'이라고 명명했다.
이를 통해, 수소화붕소 소듐 기반의 전해질은 소듐-소듐 대칭전지에서 600 사이클, 소듐-알루미늄 반쪽 전지에서 99.67%의 쿨롱 효율을 보여 불소계 전해질에 비해 매우 우수한 전기화학적 성능을 제공했다.
더 나아가, 연구팀은 수소화붕소 소듐 기반 전해질을 해수 전지에 적용했다. 높은 전류밀도인 1 mA cm-2에서 기존 불소계 전해질은 35회 정도의 수명 특성을 보인 반면, 수소화붕소 소듐 기반 전해질은 150회 이상의 장수명 특성을 달성했다. 마찬가지로, 기존 불소계 전해질의 출력밀도는 2.27 mW cm-2 에 그친 반면, 수소화붕소 소듐 기반 전해질의 출력밀도는 2.82 mW cm-2로 큰 차이를 보였다.
연구팀이 개발한 수소화붕소 소듐 기반의 전해질은 비용 절감, 수명 특성 향상을 통해 해수전지의 상용화에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
제1 저자인 김진욱 박사과정은 "기존 소듐 전해질의 필수 원소였던 불소 없이도 불소계 전해질의 성능을 상회하는 전해질을 개발한 것은 큰 의미가 있다ˮ 라며 "앞으로 비불소계 소듐 전해질과 그에 따른 고체-전해질 계면에 관한 연구가 활발해질 것으로 판단된다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 한국전력 사외공모 기초연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.10.31
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KAIST 출신 서명은 박사, 사이언스지 논문 게재
- 미국 미네소타 주립대서 손쉽게 다공성 고분자 물질 만드는 방법 개발 -
우리 학교 화학과 졸업생(지도교수: 김상율)으로 미국 미네소타 주립대에서 박사 후 연구원으로 재직 중인 서명은 박사가 작은 세공이 그물처럼 연결돼 있는 다공성 고분자 물질을 손쉽게 만드는 방법을 개발해 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’ 6월 15일자 온라인판에 실렸다.
이 연구결과는 물속의 미세한 불순물을 선택적으로 제거하는 나노 여과막에 적용하면 정수처리, 하수처리, 해수 담수화 등에 폭넓게 활용될 것으로 전망된다.
서 박사 연구팀은 서로 섞이지 않는 두 고분자로 구성된 블록 공중합체가 미세 상분리를 통해 나노 구조를 형성하는 현상을 이용했다.
그러나 기존 연구와는 달리 블록 공중합체가 합성되는 중에 미세 상분리를 유도해 나노 구조를 형성하는 동시에, 가교 반응을 통해 구조를 굳혀 두 고분자가 서로 섞이지 않으면서도 각각의 고분자는 연속상을 이루는 매우 안정한 나노 구조체를 제조했다.
이렇게 얻어진 나노 구조체 중 한 종류의 고분자를 선택적으로 제거해 열적・기계적으로 높은 안정성을 갖는 다공성 고분자 물질을 얻는 데 성공했다.
서명은 박사는 “이번 연구결과는 블록 공중합체를 구성하는 고분자의 길이를 조절함으로써 세공의 크기를 쉽게 조절할 수 있고, 세공의 크기 분포가 균일하며, 세공의 구조가 물질 전달에 매우 효과적인 그물상 구조인 것이 큰 특징”이라고 말했다.
서 박사는 또 “나노 구조체를 형성하는 과정에서 용매를 사용하지 않고 사용하는 단량체를 거의 전량 소모하기 때문에 별도의 후처리가 필요 없고, 가교 반응이 구조 형성 과정에서 동시에 진행되므로 별도로 가교 반응을 수행할 필요가 없다”고 강조했다.
특히, 이번에 개발한 세공은 3차원적 그물상 구조를 갖고 있다.
따라서 세공의 방향에 따라 물질이동이 어려운 1차원적 원통형 세공에 비해 세공의 방향에 상관없이 물질이 이동할 수 있고, 일부가 막히더라도 돌아서 이동할 수 있는 특성상 물질 전달에 더욱 효과적이다.
다공성 고분자 물질은 기존에 잘 알려진 제올라이트나 메조포러스 실리카 등의 다공성 무기 물질과 같이 표면적이 넓고 일정한 크기의 세공을 지녀 물질의 정제 및 분리 또는 반응에 사용될 수 있는 장점을 갖고 있다.
아울러 비약적으로 발달한 고분자 합성 및 공정 기술을 바탕으로 응용 분야에 알맞은 화학적 구조와 물성을 갖는 고분자 골격 및 표면을 구현할 수 있고 나아가 원하는 형태로 물질을 가공할 수 있을 것으로 기대돼 학술적∙산업적으로 매우 높은 가치가 있는 것으로 평가받고 있다.
한편, 서 박사는 98년 KAIST 화학과에 입학해 석사, 박사학위를 모두 KAIST에서 받은 토종 국내파 박사로, 2008년에 졸업해 미네소타 주립대 화학과 마크 힐미어(Marc A. Hillmyer) 교수 연구팀에서 박사 후 연구원으로 일해 왔다.
2012.06.26
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사우디 교육부장관 방문, 공동 연구협약 체결
칼리드 알 안카리(Khaled bin Mohammad Al-Anqari) 사우디아라비아 고등교육부장관 일행이 지난 26일(화) 우리학교를 방문해 공동협약에 관한 합의문을 체결했다.
이번 사우디아라비아 방문단에는 교육부장관과 함께 중동권 최고 명문 대학인 킹 사우드대학(King Saud University) 압둘라 알 오스만(Abdullah bin Abdularhman Al-Othman) 총장, 킹 압둘라지즈대학(King Abdulaziz University) 오사마 타에브(Osama bin Sadiq Tayeb) 총장, 사우디아라비아 최고 공과대학인 킹 파하드 석유광물대학(King Fahad University of Petroleum and Minerals) 칼리드 알 술탄(Khalid bin Salih Al-Sultan) 총장이 동행했다.
킹 사우드대학과 킹 파우드 석유광물대학은 KAIST와 연구협약을 통해 공동 연구 프로젝트 수행, 연구 교수진 상호 방문, 학술 프로그램 교류, 세미나 및 학회 공동 개최 등 한국과 사우디아라비아 양국 고등교육기관 간의 활발한 교류를 도모하기로 했다.
특히, 킹 사우드대학은 KAIST와 공동 연구 프로젝트 수행에 관한 협약을 체결하고 ‘해수 온도차 이용 해수담수화기술 개발’, ‘효율적인 에너지 사용을 위한 스마트 미터링 및 전력 전송 시스템 개발’, ‘바이오기술을 이용한 사우디 원산지 대추에서 락트산 추출’이라는 세 분야의 연구에 공동협력하기로 했다. 연구비는 사우디아라비아 교육부가 지원하며 규모는 추후 논의하기로 했다.
킹 사우드대학 전기공학과 연구팀과 함께 ‘스마트 미터링 및 전력 전송 시스템 개발’ 프로젝트를 수행할 원자력 및 양자공학과 석좌교수이자 KAIST-KUSTAR(아랍에미리트 칼리파 과학기술연구대학) 원자력 협력센터장인 김종현 교수는 “중동지역과의 왕성한 산업 경제적인 교류에 비해 두 나라 고등교육기관 간의 교류는 상대적으로 저조했던 것 같다”며, “이 번에 진행하는 공동연구처럼 앞으로 다방면에 걸쳐 KAIST가 중동지역 대학과의 협력 및 교류에 선도적인 역할을 하기 바란다”고 말했다.
협약서 서명식을 마친 칼리드 알 안카리 고등교육부장관 일행은 KAIST의 주요 연구 사업인 ‘온라인전기자동차’, ‘휴머노이드 로봇’, ‘모바일 하버’ 연구소를 둘러봤다.
KAIST의 혁신연구와 첨단기술개발에 깊은 관심을 보인 칼리드 알 안카리 고등교육부장관은 향후 자국 내 더 많은 대학이 KAIST를 비롯한 한국의 유수 대학과의 상호 교류 확대를 위해 노력하겠다는 의지를 밝혔다.
2010.10.27
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EEWS아이디어 사업화를 위한 업무협약
- DFJ Athena LLC, 일신창업투자와 업무 협약식 가져 -
- 녹색성장 EEWS사업기획 경진대회 개최 -
우리학교는 서남표 총장, 정회훈 DFJ Athena LLC 대표파트너, 고정석 일신창업투자 대표이사가 참석한 가운데 지난 30일 오후 6시 조선호텔 비즈니스 센터에서 "녹색기술과 투자의 만남" EEWS사업기획 경진대회 연구결과의 사업화를 위한 업무 협약식을 가졌다고 2일 밝혔다.
이를 위해 두 기관이 공동으로 개최하고 EEWS기획단과 EEWS최고전략과정이 주관하는 ‘제1차 EEWS사업기획 경진대회’를 갖는다. 참가대상은 KAIST 교수학생, 졸업생 등이다.
공모주제는 EEWS와 관련한 모든 주제로, 신재생에너지, 에너지 효율 제고, 온실가스 감축, 해수의 담수화 및 폐수처리 시설 등을 사업범위로 한 모든 사업계획이다.
이번 경진대회의 수상한 우수한 기획 제안서는 양 투자기관에서 창업투자를 받을 수 있다.
1차 제안서가 통과된 모든 팀에게는 100만원의 연구경비를 지급하며, 최우수상 두 팀에게는 KAIST총장상과 상금 1,000만원을 각각 수여한다.
또한, 우수상과 장려상 각 두 팀씩을 선발해 EEWS기획단장상과 우수상에는 500만원, 장려상에는 100만원의 상금을 각각 지급한다.
우리학교는 본 경진대회를 통해 연구결과를 사업화, 대한민국의 녹색성장의 전초기지가 될 것으로 기대하고 있다.
EEWS(Energy, Environment, Water, and Sustainability)란 에너지 고갈, 환경오염, 물부족 및 지속성장 가능성 등 21세기 인류가 직면하고 있는 글로벌 이슈의 해결을 위하여 카이스트가 추진하고 있는 녹색성장 프로젝트다.
<사진설명>
(왼쪽부터) 이재규 KAIST EEWS기획단장, 정회훈 DFJ Athena LLC 대표파트너, 서남표 KAIST총장, 고정석 일신창업투자 대표이사가 업무협약식을 갖고 기념촬영을 하고 있다.
2010.08.02
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