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세계 최고 수명을 지닌 불타지 않는 ESS(에너지저장시스템) 수계전지 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 아연 전극의 열화 메커니즘을 규명하고 이를 해결함으로써 전 세계에서 보고된 모든 레독스 흐름 전지 가운데 가장 오래가는 수명을 가지는 수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.
생명화학공학과 이주혁 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `Energy and Environmental Science'에 최근(9월) 게재되는 한편 표지논문으로 선정됐다. (논문명: Dendrite-free Zn electrodeposition triggered by interatomic orbital hybridization of Zn and single vacancy carbon defects for aqueous Zn-based flow batteries)
최근 들어 신재생에너지의 간헐성을 보완하고 전력 피크 수요를 충당하기 위해 신재생에너지 및 심야 전력을 대용량으로 저장, 필요할 경우 저장된 에너지를 설비에 공급함으로써 에너지 이용 효율을 높일 수 있는 에너지저장시스템(Energy storage systems, 이하 ESS) 기술이 각광받고 있다.
현재 대부분의 ESS는 값이 저렴한 `리튬이온전지' 기술을 채택하고 있지만, 리튬이온전지는 태생적으로 발화로 인한 화재 위험성 때문에 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받아왔다. 실제 2017년~ 2019년까지 2년간 국내에서 발생한 리튬이온전지로 인한 ESS 화재사고 33건 가운데 가동이 중단된 곳은 전체 중 35%에 달한다. 현재까지 집계된 손해액만도 약 7,000억 원 이상으로 추정되고 있다.
따라서 최근에는 배터리 과열 현상을 원천적으로 차단할 수 있는 수계(물) 전해질을 이용한 *레독스 흐름 전지가 큰 주목을 받고 있다. 특히, 초저가의 브롬화 아연(ZnBr2)을 활물질로 이용하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 다른 수계 레독스 흐름 전지와 비교할 때 높은 구동 전압과 함께 에너지 밀도를 높일 수 있고, 가격이 싸다는 장점 때문에 70년대부터 ESS용으로 개발돼왔다.
☞ 레독스 흐름 전지(Redox flow battery): 레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해액 내에 활물질을 녹여서 외부 탱크에 저장한 후 펌프를 이용해 전극에 공급하면 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용해 에너지는 저장하는 전지이다.
문제는 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 경우 아연 음극이 나타내는 짧은 수명 때문에 상용화가 지연되고 있다는 점이다. 특히 아연 금속이 충·방전 과정 중에 보이는 불균일한 돌기 형태의 *덴드라이트 형성은 전지의 내부 단락을 유발해 수명을 단축하는 주요 원인으로 지적되고 있다.
현재 덴드라이트 형성 메커니즘은 명확히 규명되진 않고 있지만 충전 초기 전극 표면에 형성되는 아연 핵의 불균일성 때문일 것으로 전문가들은 추정하고 있다. 이런 문제 해결을 위해 그동안 균일한 핵의 생성을 유도하는 기술이 경쟁적으로 개발돼왔으나, 여전히 충분한 수명향상 효과를 얻지 못하고 있다.
☞ 덴드라이트(Dendrite): 아연 이온이 환원되어 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정.
김희탁 교수 연구팀은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 `표면 확산(Surface diffusion)'을 통한 `자가 응집(Self-agglomeration)' 현상이 발생한다는 사실에 주목하고 양자 역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전송 전자 현미경 분석을 통해 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 규명하는 데 성공했다. 연구팀은 이와 함께 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않은 사실을 발견했다.
탄소 원자 1개가 제거된 단일 빈 구멍 결함(single vacancy defect)은 아연 핵과 전자를 교환하며, 강하게 결합함으로써 표면 확산이 억제되고 균일한 핵생성 또는 성장을 가능하게 한다. 김 교수 연구팀은 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용해, 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5,000 사이클 이상의 수명 특성을 구현하는데 성공했다. 연구팀 관계자는 지금까지 다양한 레독스 흐름 전지에 대해 보고된 결과 중 가장 뛰어난 수명성능을 지닌 전지라는 점을 강조했다.
우리 대학 나노융합연구소 차세대배터리센터장 김희탁 교수는 "차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 성과”라면서 "기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5,000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 우리 대학 나노융합연구소와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다.
2020.10.05 조회수 38484 -
전해액 사용량을 4배 줄인 리튬-황 전지 개발
우리 연구진이 리튬-황 전지를 경제적으로 설계하되 성능은 획기적으로 개선한 기술개발에 성공해 차세대 배터리 기술개발에 한 발 더 다가섰다.
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수팀이 기존 대비 전해액의 함량을 4배 이상 줄인 리튬-황 전지를 개발했다고 25일 밝혔다. 리튬-황 전지는 차세대 배터리 기술 중 연구개발이 가장 활발하게 이뤄지는 기술이다. 리튬-황 전지는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 2~3배 높아서 이를 사용하면 전기동력 기체 무게를 크게 줄일 수 있기 때문이다.
리튬-황 전지는 가벼운 황과 리튬금속을 활물질(화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산하는 물질)로 이용하기 때문에 중금속 기반인 리튬이온전지에 비해 경량화가 가능하다. 특히 지구에 풍부하게 존재하는 황을 활용해 저가의 전지를 구현할 수 있다는 점 때문에 산업계와 학계로부터 그동안 많은 주목을 받아왔다. 다만 리튬-황 전지는 리튬이온전지와 달리 매우 높은 전해액 함량을 갖고 있다. 전지 무게의 40%에 달하는 과량의 전해질 사용은 전지 무게 증가로 인해 그동안 리튬-황 전지의 고에너지밀도 구현에 큰 걸림돌이 돼왔다. 리튬-황 전지는 황이 방전되고 난 후의 산물인 `리튬 폴리 설파이드(Lithium poly sulfide)'가 전해액에 용해된 상태에서 빠른 충 ‧ 방전 특성을 갖는다.
이 전해액 양을 낮추면 리튬 폴리 설파이드의 용해량이 감소해 용량 및 출력이 저하되는 문제가 발생한다. 또 리튬금속 음극이 전해액을 분해해 전해액이 고갈되는 문제는 낮은 전해 액체량에서 더욱 심해져 결국 전지 수명을 떨어뜨린다.
김희탁 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 리튬 나이트레이트 염과 같이 높은 전자공여(다른 화합물에 전자를 주는 성질) 능력이 있는 염을 전해질에 주입하면 폴리 설파이드의 용해도를 증가시킴과 동시에 리튬금속에서 전해질 분해를 억제할 수 있음을 규명했다. 리튬이온과 결합력이 강한 나이트레이트 음이온이 리튬이온의 `용매화 껍질(Solvation Shell)' 역할을 수행함으로써 리튬 폴리 설파이드의 해리도를 증가시켜 결과적으로 용해도가 향상된다는 사실도 증명했다. 아울러 용매화 껍질 구조변화가 전해액 용매 분자와 리튬금속과의 접촉을 낮춰 분해반응을 억제하는 현상도 확인했다.
김희탁 교수팀은 이번 연구를 통해 전해액 성분 중 리튬 염 물질 하나만을 교체하는 간단한 방법으로 에너지 밀도를 높이면서 고가의 전해액 사용량을 4배 이상 줄여 가격을 대폭 절감하는 성과를 거뒀다. 김희탁 교수는 "이번 연구는 황 양극과 리튬금속 음극의 성능을 동시에 높일 수 있는 전해액 설계원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다ˮ면서 "차세대 전지 전해액 설계산업 전반에 걸쳐 넓게 응용되기를 기대한다ˮ고 말했다.
KAIST 생명화학공학과 석사졸업생인 추현원 학생(現 MIT 박사과정 재학 중)과 정진관 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 `어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced energy materials)' 6월 2일 字 표지논문으로 실렸다. (논문명: Unraveling the Dual Functionality of High-Donor-Number Anion in Lean-Electrolyte Lithium-Sulfur Batteries)
한편, 이번 연구는 LG화학, KAIST 나노융합연구소, 과학기술정보통신부 기후변화대응과제의 지원을 받아 수행됐다.
2020.06.25 조회수 28237 -
김희탁, 박정기 교수, 보호막 씌워 리튬공기전지 수명 연장
〈 김 희 탁 교수 〉 〈 박 정 기 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김희탁(44) 교수와 박정기 (65) 교수 공동 연구팀이 차세대 리튬공기전지의 수명연장 기술을 개발했다.
이 기술은 리튬공기전지 리튬금속을 보호막을 씌워 발생 가능한 문제점을 차단하는 방식으로 전지기술의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
이 성과는 재료과학 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 2월 3일자에 게재됐고, 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.
리튬공기전지는 공기 중의 산소와 리튬금속으로 구동되는 이차전지로 기존 리튬이차전지보다 5배에서 10배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.
따라서 전기 자동차 등의 차세대 대용량 전지로 각광받고 있지만 양극에서의 낮은 가역성 및 에너지 효율, 급속한 수명 저하가 한계로 지적됐다.
이런 단점을 극복하기 위해 ‘산화환원 중계물질(Redox mediator)’이라는 촉매가 들어간 리튬공기전지가 개발돼 중계물질에 의한 가역성이 획기적으로 향상됐다.
그러나 반응성이 높은 리튬 금속을 음극 소재로 사용하기 때문에 음극 표면이 쉽게 산화돼 전지 수명이 제한된다는 한계를 갖는다.
특히 가역성 향상을 위한 중계물질이 리튬 금속에 노출되면 양극에서의 중계 효과가 제한되고 중계물질이 소실돼 효율 및 수명이 급격히 감소하는 현상은 큰 문제로 남아있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 리튬 금속에 보호막을 씌우는 방법을 개발했다. 리튬 금속과 전해액의 직접 접촉을 물리적으로 차단하면서 리튬 이온만 효과적으로 전도시킬 수 있는 유무기 복합 보호층을 개발해 리튬 음극 표면에 도입한 것이다.
이 유무기 복합 보호층은 리튬 금속 음극의 급격한 산화를 억제하고 중계물질과 리튬금속 간의 반응을 물리적으로 차단하는 역할을 한다.
보호층은 산화된 중계물질이 리튬 금속 표면에서 스스로 환원되는 현상을 물리적으로 차단한다. 이를 통해 중계물질이 양극 표면에서 방전 생성물 분해에만 집중할 수 있고, 리튬 금속 표면에서의 분해로 인한 소실 문제를 차단할 수 있다.
연구팀은 리튬금속 음극 안정성과 중계물질의 지속성을 동시에 증대시켜 리튬공기전지의 충전 및 방전 사이클 수명을 3배 연장하는 데 성공했다.
개발한 유무기 복합 보호층을 통한 리튬 표면 안정화 기술은 리튬-황, 리튬 금속 전지와 같은 차세대 리튬 전지에도 적용 가능해 향후에도 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다.
김 교수는 “차세대 에너지 저장장치인 리튬공기전지의 수명 한계를 극복할 단서를 제시했다”며 “이는 리튬공기전지의 실용화를 위한 유용한 전략이 될 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 머티리얼스 표지논문
그림2. 전기화학 구동 후 리튬 금속 음극형상
2016.03.09 조회수 19625 -
레고블록 계면구조 수소연료전지 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 박정기 교수 공동 연구팀이 레고블록과 같은 맞물림 계면구조를 통해 결착력이 강화된 수소연료전지를 개발했다.
연구 결과는 재료과학분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 20일자 온라인 표지논문으로 게재됐다.
전기자동차인 수소연료전지 자동차는 차세대 친환경 미래 자동차로 각광받고 있다. 하지만 기존 연료전지는 고가의 불소계 멤브레인(고분자 필름 박막)을 이용하기 때문에 가격을 낮추는 데 한계가 있었다.
이를 극복하기 위해 저가의 탄화수소계 멤브레인을 사용했지만, 백금 전극과의 계면 결착이 취약해 상용화에 어려움을 겪었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 멤브레인과 전극 계면이 레고 블록처럼 서로 맞물려진 구조를 개발했다. 탄화수소계 멤브레인 표면에 형성된 마이크론 크기의 돌기가 전극 표면 고분자 층에 삽입된 후, 수분에 의해 팽창하며 계면 결착력이 발생하는 원리이다.
이 맞물림 계면구조의 개발로 탄화수소계 연료전지의 계면 결착력은 8배, 연료전지의 내구성은 4배 이상 향상됐다.
연구팀은 화학연구원 홍영택 박사팀과 협력해 맞물림 계면구조의 소재 설계를 수행했고, KAIST 기계공학과 이대길 교수팀과 수치 해석을 통한 계면 결착력 향상 메커니즘을 규명했다.
김희탁 교수는“맞물림 계면 구조를 도입한 연료전지는 탄화수소 소재가 가져왔던 한계를 극복할 단서를 제시했다”며, “연료전지의 가격을 낮추는 데 큰 역할을 할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자사업과 KAIST 세계수준 연구중심대학(World Class University:WCU) 육성사업 프로그램 및 한국화학연구원 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 어드밴스드 머터리얼스 誌에 게재된 레고블록 계면구조 개념도
그림 2. 마이크론 크기의 돌기가 표면에 형성된 탄화수소계 멤브레인
그림 3. 마이크론 크기의 돌기가 전극 표면 고분자층에 삽입된 계면 구조
2015.05.27 조회수 18213 -
빛으로 수리되는 전기회로 세계최초 개발
# 휘어지는 전자기기가 나오면서 금속 재질의 전기회로는 균열로 인한 불량이 발생할 가능성이 점점 높아지고 있다. 미세하면서도 구조가 복잡해 수리보다는 키트 단위로 부품을 교환하거나 고칠 수 없어 아예 못쓰게 되는 경우도 많다.
# 아이언맨과 같은 인간형 로봇이나 웨어러블 컴퓨터에 사용되는 금속전선은 지속적인 움직임으로 인해 끊어질 수 있기 때문에 상용화에 앞서 반드시 해결해야할 과제다.
우리 학교 생명화학공학과 박정기·김희탁 교수는 성균관대학교 성균나노과학기술원(SAINT) 이승우 교수와 공동으로 끊어진 전기회로에 레이저를 쪼여주면 단락된 부분이 원래 상태로 다시 붙어 전기가 통하게 되는 ‘빛을 이용한 자기회복 전기회로’를 세계최초로 개발했다.
개발된 회로는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 발표용 레이저포인터를 2분 정도 조사하는 것만으로도 끊어진 부위를 처음처럼 완벽하게 수리할 수 있다. 휘고 접고 비틀어도 잘 작동되는 연성기판을 사용하기 때문에 플렉시블 전자기기나 웨어러블 컴퓨터는 물론 움직임 많은 인간형 로봇의 전선으로 적용해 단락 시 곧바로 수리할 수 있다.
최근 얇고 휘어지는 고집적회로를 내장한 전자기기 개발이 활발해짐에 따라 전기회로에 구부림 등 외부 자극으로 인해 내부 전기회로가 손상될 수 있다. 고밀도 회로가 적용된 탓에 고장 난 부분만 수리하기가 어려워 주로 모듈단위로 바꿔야하기 때문에 비싼 수리비용과 자원낭비 문제가 대두되고 있다.
연구팀은 조사되는 빛의 편광 방향과 나란하게 움직이는 아조고분자를 휘어지는 성질이 있는 연성필름에 코팅했다. 그 위에 전기전도도가 우수하며 손쉽게 합성이 가능한 은나노와이어(은으로 이루어진 나노사이즈 막대기)를 도포해 휘어지는 전기회로를 완성했다.
완성된 자기회복 전기회로를 테스트해보기 위해 연구팀은 회로에 인위적으로 균열을 만들어 단락시켰다. 회로가 끊어진 부분에 500mw/cm2(단위면적당 발광 에너지) 세기의 레이저 빛을 조사하자 아조고분자가 편광방향과 나란하게 움직였다. 이와 동시에 도포된 은나노와이어가 아조고분자와 같이 움직여 끊어진 부분이 다시 접착돼 단락된 전기전도도가 회복됐다.
박정기 KAIST 교수는 “플렉시블 전자기기의 전기회로 단락문제를 해결해 전자기기 사용수명을 연장시킬 수 있는 가능성을 제시했다”며 “영화 속 아이언맨도 탐낼만한 차세대 신기술”이라고 말했다.
이승우 성균관대학교 교수는 “기존 자기회복 전기회로 기술의 단점이었던 고온을 사용하거나 해로운 용매를 사용하는 것과 같은 복잡한 회복과정이 없다”며 “주변에서 쉽게 구할 수 있는 레이저를 쏘아주면 끊어진 전기전도도가 회복되는 전기회로를 세계 최초로 개발했다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.
한국연구재단이 추진하는 일반연구자사업의 지원을 받아 KAIST와 성균관대학교 교수진의 지도아래 KAIST 강홍석 박사과정 학생이 주도한 이번 연구는 재료 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 9월 16일자로 실렸다.
1. 아조고분자 필름에 크랙을 인위적으로 발생시킨 후 빛을 조사해 크랙을 회복시키는 이미지. 조사한 빛은 크랙과 수직한 편광을 갖는 빛이다. 2분의 조사시간만으로도 크랙을 완전히 회복시킨다.
2. 끊어진 전기회로가 다시 접합되는 과정
①아조고분자 필름 위에 은나노와이어를 도포한 후 인위적으로 크랙을 발생시켜 전기전도도 단락을 일으킨다. ②빛을 조사하여 아조고분자의 이동을 유도한다. ③그 효과로 인해 도포된 은나노와이어를 끌고 이동시켜서 다시 은나노와이어 접착을 유도한다. ④단락된 전기전도도가 회복된다. (회복과정으로 인해 'K‘ 모양으로 배열된 전구에 빛이 다시 들어오는 것을 보여줌)
3. 은나노와이어가 도포된 아조고분자 필름의 연성특성 파악. 구부림, 꼬임 등에도 모두 전기전도도를 유지한다. 자기회복 과정을 거친 후에도 전기전도도 특성을 유지한다.
4. 제작한 자기 회복 필름의 웨어러블 기기 적용 가능성 파악. 장난감 손에 아래와 같이 회로를 연결한 후 반복적 구부림을 통해 전기전도도 단락을 시킨 다음 빛을 조사해 전기전도도를 회복할 수 있다.
2014.10.15 조회수 22190