KAIST, 차세대 친환경 유기 이차전지 핵심기술 개발
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KAIST, 차세대 친환경 유기 이차전지 핵심기술 개발
  • 송윤영 기자
  • yaho1130@hanmail.net
  • 승인 2021.11.24 20:33
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고속 충전 가능한 정렬 나노 네트워크 전극 설계로 전기차나 휴대용 전자기기 등에 상용화 기대
(사진제공=KAIST)(좌)신소재공학과 전석우 교수(중)김일두 교수(우)함영진 박사과정
(사진제공=KAIST)(좌)신소재공학과 전석우 교수(중)김일두 교수(우)함영진 박사과정

(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 전석우 교수와 김일두 교수, 미국 일리노이대학 어바나-샴페인 캠퍼스 폴 브라운(Paul V. Braun) 교수 공동연구팀이 차세대 친환경 유기 이차전지의 핵심기술을 개발하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

연구진은 재현성 있는 광학 패터닝 기술을 통해 고도로 정렬된 나노 네트워크 구조의 유기 음극을 설계해 리튬유기전지의 성능을 획기적으로 향상시켰다. 연구진이 이번에 확보한 충·방전 특성은 현재까지 보고된 유기 음극 소재 중 가장 높은 수준으로, 무기물 기반의 현 전극 소재를 대체할 수 있으며 장기적으로는 전기차 또는 휴대용 전자기기 등 상용화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.

유기 이차전지는 원료 수급에 제한이 적고 저렴한 유기 전극 소재를 기반으로 하며 전극의 경량화가 가능하고 우수한 가변성은 물론 재활용이 용이하다는 장점이 있어 지속 가능한 친환경 전지 시스템으로 각광 받고 있다.

하지만 유기물의 낮은 전기전도도를 극복하기 위해 높은 함량의 탄소계 도전재가 첨가돼 고에너지밀도 달성에는 한계가 있었다. 또한, 실제 전기차 및 휴대용 전자기기 등에 적용되기 어려운 느린 충전 속도와 수명 저하 이슈가 결정적인 걸림돌로 지적돼왔다.

연구진은 전기화학적 활성과 안정성을 제한하는 기존의 비정렬적 전극 구조 대신 정렬된 서브 마이크론(100만분의 1미터 이하) 크기의 기공 채널을 갖는 3차원 이중 연속 구조의 유기 고분자-니켈 복합전극을 도입했다.

그 결과 탄소계 도전재 없이도 속도 특성을 비약적으로 향상하는 데 성공했으며, 15 A g-1 의 높은 전류밀도에서도 250회의 충·방전 사이클 동안 전극의 용량이 83% 이상 유지되는 높은 내구성과 안정성을 확인했다.

나아가 3차원 나노 네트워크 구조를 기반으로 유기물 내 다중 탄소 고리의 불포화 결합에서의 촉진된 `슈퍼리튬화' 현상을 규명해 1,260mAh g-1의 높은 가역 용량 달성을 확증함과 동시에 우수한 전하 이동에 대한 동역학 분석을 통해 초고속 성능의 메커니즘을 검증했다.

전석우 교수는 "친환경적이고 유망한 에너지 저장을 실현하기 위한 유기 전극의 구조 공학적 설계 방향을 새롭게 제시한 결과ˮ라며 "이번 연구의 3차원 정렬 나노 네트워크 구조는 다양한 유기 화합물과 호환 가능해 유기 전극의 플랫폼으로써 일반적 활용이 가능하다ˮ라고 밝혔다.

KAIST 신소재공학과 함영진 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 에너지·환경 분야 최고 권위지 `에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science, IF: 38.532)' 11월호에 게재되는 한편 학계 및 일반인에게 널리 알릴만한 내용으로 인정받아 내부 표지 논문(Inside Back Cover)으로 선정됐다. (논문명: 3D Periodic Polyimide Nano-Networks for Ultrahigh-Rate and Sustainable Energy Storage)

한편 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.

붙임 : 연구개요, 그림 설명

그림 1. 3차원 고분자 나노 네트워크 기반 리튬유기전지 모식도 및 율특성의 획기적인 향상
그림 1. 3차원 고분자 나노 네트워크 기반 리튬유기전지 모식도 및 율특성의 획기적인 향상
그림 2. 연구논문이 소개된 _에너지와 환경과학_ 11월호 내부표지
그림 2. 연구논문이 소개된 _에너지와 환경과학_ 11월호 내부표지

□ 연구개요

배경

환경 위기에 대한 우려가 높아지면서 전기 자동차 및 휴대용 전자기기를 위한 지속 가능한 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가하고 있다. 이차 전지는 현재 가장 많이 사용되는 에너지 저장 시스템 중 하나로, 종래에는 이차 전지의 전극으로 금속 기반의 소재들을 사용했으나, 고에너지밀도 달성에 한계가 있고 자원, 비용 및 환경문제를 유발한다는 단점이 있다. 따라서 기술적, 경제적, 환경적 관점을 모두 고려하여, 전극의 경량화가 가능하고 자연적으로 풍부한 유기 화합물을 차세대 이차 전지용 전극 소재로 대체하려는 노력이 활발히 이루어지고 있다.

그러나 기존에 보고된 유기 화합물 기반의 전극 소재들은 본질적으로 낮은 전기전도도를 가지므로 이를 극복하기 위해 높은 함량의 탄소계 도전재(Conductive additive)가 첨가되어 이차 전지의 에너지밀도를 높이는 것에 한계가 있었고, 충전 속도가 느리다는 치명적 단점을 안고 있었다. 또한 높은 이론적 용량을 가짐에도 불구하고, 전기화학적 활성을 제한하는 기존의 비정렬성 전극 구조로 인해 이론용량보다 훨씬 낮은 용량을 구현해왔다. 이러한 성능의 한계로, 실제 응용 분야에서 유기 전극의 활용은 매우 제한적이었다.

본 연구에서는 상기 한계점들을 극복하여 유기 화합물 전극 소재의 성능을 극대화하기 위해서, 넓은 반응 표면적을 제공하고 전자의 빠른 이동을 유도하며 이온의 확산 저항을 감소시킬 수 있는 새로운 전극 구조를 제시하고자 하였다. 이를 통해 유기 전극의 높은 전기화학적 활성과 장주기 안정성, 빠른 속도 특성을 부여하고 실제 응용 및 상용화에 기여하고자 했다.

2. 연구 내용

본 연구팀은 기존의 비정렬적 전극 구조가 아닌 고도로 정렬된 3차원 이중연속구조의 유기 고분자-니켈 복합전극을 설계했다. 연구팀은 최초로, 재현성이 뛰어난 광학 리소그래피 기술인 근접장 나노 패터닝 기술을 통해 뛰어난 경도, 높은 전기화학적 안정성 및 전기 전도성을 갖는 주기적 다공성 니켈 지지체를 제작하고, 이 지지체 표면에 반경 100 nm 미만 크기의 나노화 된 폴리이미드 활물질 입자를 균일하게 성장시켰다.

이러한 복합전극 구조는 전기화학적 반응에 꼭 필요한 연속적이고 빠른 전자 전도성 경로를 제공하고, 나노 활물질 입자를 따라 짧은 이온 확산 길이를 제공하여 기존 비정렬적 구조보다 43배 높은 이온 확산 계수를 얻을 수 있었다. 또 안정적인 장기 구동을 위해서는 산화-환원반응의 가역성을 제공해주는 고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interface, SEI) 형성이 중요한데, 본 연구의 약 300 nm 크기 기공을 갖는 주기적인 다공성 구조가 안정적 계면 형성에 매우 유리함을 확인했다. 뿐만 아니라, 전해질이 채워지는 기공 부분이 위아래가 열린 상호 연결된 네트워크 형태로 형성되어, 전해질 내에서의 빠른 이온의 수송도 가능했다.

리튬이온전지 성능 평가결과, 개발된 전극을 통해 기존 분말 전극 대비 매우 높은 1260 mAh g-1의 용량과 향상된 수명특성을 구현할 수 있었다. 이러한 높은 가역 용량을 검증하기 위하여 충방전 과정 중 산화-환원 반응 메커니즘을 단계별로 분석한 결과, 카보닐 그룹(C=O)에서의 가역적인 리튬화가 이루어진 후, 모든 방향족 벤젠고리와 이미드 고리에서 ‘슈퍼리튬화(Super-lithiation)’로 불리는 C=C 결합의 리튬화 반응이 순차적으로 나타남을 확인했다.

또한, 이러한 슈퍼리튬화 현상이 전도성 3차원 니켈을 기반으로 한 모놀리식(monolithic) 구조로 인해 본 이중연속구조의 전극에서 더욱 촉진되었음을 규명했다. (슈퍼리튬화: 일반적인 탄소 육각고리의 리튬화에서 나타나는 Li/C6 형태가 아닌, 다중 탄소 고리 내의 모든 탄소 이중결합에서 리튬화가 이루어져 Li6/C6 착물을 형성하는 반응)

이 복합전극의 실제 소자 적용 및 상용화 가능성 확보를 위해 15 A g-1의 빠른 전류밀도에서의 장기운전 안정성(long-term cycle stability)을 평가한 결과, 비약적으로 향상된 속도 특성을 바탕으로 250회의 충·방전 사이클 동안 전극의 용량이 83% 이상 유지되어 현재까지 개발된 유기 전극 대비 가장 높은 수준의 율특성과 높은 안정성을 확인했다.

또한 전기화학적 거동에 기여하는 패러데이(Faradaic) 반응 (또는 확산지배반응) 및 비패러데이(Non-faradaic) 반응의 기여도를 분석한 결과, 본 전극에서 나타나는 폴리이미드의 빠른 용량성 반응과 높은 용량을 제공하는 슈퍼리튬화 반응의 확산지배적 거동의 상승효과를 확인해, 초고속 성능의 메커니즘을 합리적으로 제시했다.

3. 기대 효과

본 연구의 유기 전극 물질의 합리적인 설계 원칙을 기반으로 한 정렬 다공성 네트워크 구조는 다양한 유기계 활물질과 호환 가능한 재현성 있는 제작공정을 통해 제조된다. 따라서 제한적 성능을 보였던 기존 유기 소재나 새롭게 발굴될 유기 분자들의 전기화학적 활성을 극대화하는 고성능 유기 전극 개발의 플랫폼으로서 큰 의미를 갖는다. 본 연구에서 제시하는 전극 제작 기술은 친환경적이고 지속 가능한 유기물 전극 소재의 실제 응용 및 상용화를 위한 기반기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


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