식물·환경신소재공학과 이정태 교수, 기계공학과 김두호 교수 연구팀이 리튬-황 배터리의 상용화 실마리를 제시했다. 리튬-황 배터리는 용량이 현재 상용화된 리튬 이온 배터리 대비 두 배 이상 높아 차세대 전기 자동차용 배터리로 주목받고 있다. 하지만 리튬-황 배터리는 충·방전될 때 황이 리튬 설파이드로 환원되는 과정이 매우 느린 한편 에너지 효율이 낮고 수명이 짧다는 문제점이 있다.

리튬 설파이드 결정에 셀레늄과 텔루륨 도핑, 성능 개선 이뤄

문제 해결을 위해 연구팀은 새로운 방법으로 리튬-황 배터리 설계에 나섰다. 이 방법은 리튬 설파이드 결정에 셀레늄과 텔루륨을 도핑하는 것이다. 기존 리튬-황 배터리 연구와는 다르게 리튬 설파이드의 화학적 결합과 고체 상변화 과정에서 일어나는 상호작용에 집중해 의미 있는 결과를 도출했다.

리튬-황 배터리 연구는 대부분 고리 형태의 황 분자-리튬 폴리설파이드-리튬 설파이드로 이루어지는 산화 환원 과정의 전 영역에 집중돼있다. 민우식 학생(기계공학과 석사 1기)은 “충·방전의 고체 상변화 이전 과정에서 물질이 녹아버리며 에너지 손실이 발생한다”고 설명했다. 이정태 교수는 “고리 형태에서 물질이 녹아 많은 연구자가 고리 구조를 변화하기 위해 노력하고 있다. 하지만 이번 연구는 기존 연구 방식과는 전혀 다른 새로운 방식으로 문제에 접근했다”며 연구 의의를 설명했다.

연구팀은 리튬 설파이드 결정에 셀레늄과 텔루륨을 도핑해 리튬 설파이드 환원 과정을 촉진했다. 김두호 교수는 “셀레늄과 텔루륨 도핑으로 형성된 이온 반지름은 리튬 설파이드 결정 속 결합의 길이를 늘어나게 만들어 결합의 세기를 약하게 유도한다. 이에 따라 충전 및 방전 과정 중 리튬의 이탈과 흡착이 더 수월하게 일어나, 리튬 설파이드의 상변화 과정이 더 유연하게 일어난다”고 말했다. 성능적 개선도 있었다. 셀레늄과 텔루륨 도핑 이전과 전압을 비교해봤을 때 연구진이 개발한 배터리가 1.05배 더 높은 전압을 기록했다. 용량 역시 도핑 후 1.2배 늘어났다.

고에너지 밀도의 리튬-황 배터리 설계 가능성 제시

이번 연구 결과는 리튬-황 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 발단을 제시했다. 특히, 이번 연구에서 제안한 전략은 고에너지 밀도의 리튬-황 배터리 설계 가능성을 제시해 의미가 크다. 원자 수준에서 양극 소재 구조 변화와 특성 강화를 이끄는 전략은 리튬-황 배터리의 성능을 높이는 한편 비용을 절감하는 데 중요한 역할을 한다. 홍태화 학생(식물·환경신소재공학과 석사 1기)은 “리튬과 소듐 이차전지에서는 상변화 관점에서 진행된 연구가 많이 보고됐지만 리튬-황 배터리에서는 선행연구가 활발하지 않았다. 내부 소재의 재구성을 통해 특성을 바꾼다는 전략을 제시하는 한편 앞으로도 고에너지 밀도의 배터리를 설계할 가능성까지 제시했다”고 강조했다.

연구 결과는 세계적인 학술지 <Advanced Energy Materials>(IF=29.698)에 5월 18일 게재됐다. 이정태 교수는 “연구를 진행한 모든 구성원이 경희대 출신이어서 개인적으로 더 뜻깊은 성과”라며 “양 연구실 간 학생 교류가 활발히 일어나 새로운 아이디어가 계속 제안되고 있어 앞으로도 기대가 크다”고 말했다.

이정태 교수의 얘기처럼 좋은 성과를 이루기까지 공동연구의 역할이 컸다. 김두호 교수 연구실은 계산 과학적 방법으로 주제에 접근한다. 반면 이정태 교수 연구실은 실험을 통해 주제에 접근한다. 같은 주제를 서로 다른 연구 방법으로 접근해 결과를 도출했다. 이를 통해 연구의 특이성과 차별성을 확보할 수 있었다. 민우식 학생은 “계산 과학을 위주로 연구해 실험에 대한 부분은 낯선 면이 많았다. 공동연구를 통해 서로 물어보며 연구하니 성장하고 있다는 것을 체감할 수 있었다”고 말했다. 홍태화 학생은 “실험에 들어가기 전 계산 과학으로 도출한 결과가 실제로 입증될지 의문이 있었다. 하지만 실험 결과 계산과 일치하는 결과를 얻었을 때 놀라움이 컸다”고 회상했다.

연구진은 리튬-황 배터리 상용화를 위한 후속 연구를 계획하고 있다. 개발한 전략을 활용해 배터리 구조에 제한을 두거나, 인공지능을 활용해 배터리 성능을 예측하려 한다. 이정태 교수는 “이번 연구는 리튬-황 배터리의 가능성을 확인한 결과”라고 평했다. 김두호 교수는 “사전 연구가 축적된 만큼 이를 활용해 차세대 전지 상용화를 위해 노력할 것”이라고 말했다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr

사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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https://www.lecturernews.com/news/articleView.html?idxno=128962

https://www.khu.ac.kr/kor/focus/detail.do?preview=1&seq=2169995&page=1

김두호 경희대 교수 연구팀은 유승호 고려대 교수 연구팀과 공동연구를 진행해 차세대 이차전지인 소듐 이온 배터리 충전 문제를 해결할 실마리를 규명했다고 7일 밝혔다.

전기차가 차세대 이동 수단으로 주목받고 있는 가운데 이차전지 원료인 소듐(Na)은 가격 경쟁력이 높으며 리튬과 유사한 충·방전 메커니즘을 지녀 그 중요도가 높아지고 있다. 다만, 수명 특성이 짧고, 고전압에서 충전효율이 급감하는 단점도 있다.

연구팀은 소듐 이온 배터리에 티타늄(Ti) 금속을 도핑한 결과, 티타늄 도핑이 소듐 이온 배터리의 구조변형을 방지해 고전압에서도 안정적인 특성을 보이도록 한다는 점을 규명했다고 밝혔다.

해당 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Science)에 지난달 게재됐다. 사진은 왼쪽부터 연구 제1저자인 경희대 기계공학과 권도형 학생, 고려대 화학생명공학과 박성준 학생, 교신저자인 유승호 고려대 화학생명공학과 교수, 김두호 경희대 기계공학과 교수.

글 김솔 sol@yna.co.kr

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https://www.khu.ac.kr/kor/focus/detail.do?preview=1&seq=2167659&page=1

경희대학교(총장 한균태) 기계공학과 김두호 교수팀이 가역적으로 산소 산화환원 반응을 활용할 수 있는 리튬 이온 배터리 설계를 제안했다. 김두호 교수와 소속 연구실 대학원생, 총 2명의 저자로만 구성된 연구팀이 이뤄낸 성과라 더 의미 있다. 연구 결과는 에너지 분야 저명 국제 학술지 <Energy & Environmental Science>(IF=39.714) 11월 호 표지 논문으로 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 4단계 BK21사업, 중견 연구자 사업의 지원을 받았다.

리튬 이온 배터리에 금속 치환해 구조적 안정성 확보

소듐 이온 배터리는 차세대 배터리로 학계와 산업계의 관심을 받고 있다. 최근 소듐 이온 배터리가 산소 산화환원 반응에 ‘가역성(Reversibility)’을 갖는다는 연구 결과가 보고됐다. 이를 토대로 소듐 이온 배터리는 전이 금속을 이용한 산화환원 반응 외에도 산소 산화환원 반응을 활용해 더 높은 배터리 용량을 구현할 수 있다. 이에 반해 리튬 이온 배터리는 산소 산화환원 반응 가역성이 떨어져, 전이 금속을 이용한 산화환원 반응만을 활용해야 했다. 김두호 교수는 “소듐 이온 배터리와 달리 상용화된 리튬 이온 전지가 산소 산화환원 반응에 가역성을 보인다면 활용 가치가 높다고 생각했다”며 연구를 시작한 배경을 설명했다.

우선 김두호 교수 연구팀은 소듐 이온 배터리가 산소 산화환원 반응에 가역성을 갖는 원인 파악에 나섰다. 연구에 참여한 이재운(기계공학과 석사 수료) 학생은 “소듐 이온 배터리가 열역학적으로 안정적인 상을 가져 산소 산화환원 반응에 가역성을 가진다”고 설명했다. 연구팀은 원인을 토대로 ‘리튬 이온 배터리도 열역학적 안정성을 보이면 산소 산화환원 반응에 가역성을 가질 것’이라는 가정을 세웠다.

가정에 기반한 구체적인 개념도 제시했다. 김두호 교수 연구팀은 계산과학적 방법을 이용했다. 김 교수는 “기존의 리튬 이온 배터리보다 리튬이 과포화된 구조에 산소를 다른 음이온으로 치환하는 방식으로 구조적 안정성을 확보했고, 이를 통해 소듐 이온 배터리의 가역적 특성을 리튬 이온 배터리에 적용할 수 있음을 제시했다”고 강조했다. 또한, 그는 “실험 연구와 달리 계산과학 연구는 실험으로 확인하기 어려운 부분을 찾아내기 용이하다. 이번 연구 역시 계산 과학의 강점을 살렸다”고 평가했다.

소듐 이온 배터리의 특성을 리튬 이온 배터리에 적용하자는 제안은 논문 심사 당시에도 좋은 평가를 얻었다. 이재운 학생은 “기존에는 없었던 개념을 제안했기 때문에 연구의 목적성과 창의성을 주목받았다. 새로운 접근법이 유효했다”고 말했다.

“배터리 연구에 새로운 패러다임 제안, 통섭적 연구 계속할 것“

가역적으로 산소 산화환원 반응을 활용할 수 있는 리튬 이온 배터리가 실용화된다면 배터리 산업의 패러다임 전반이 바뀔 것으로 예측된다. 이재운 학생은 “배터리가 상용화된 이후 오랜 시간이 지났지만, 배터리의 에너지밀도는 구조적 한계 때문에 다른 분야에 비해서 발전 속도가 더디다고 말했다”고 말했다. 그리고 현재 배터리 용량은 이론치에 근접할 정도로 한계에 봉착했다. 따라서 많은 연구자가 배터리 용량을 1%라도 올리기 위해 매진하고 있다. 이재운 학생은 “배터리 용량을 획기적으로 늘리기 위해선 기존 방식에서 탈피한 새로운 패러다임이 필요하다. 리튬 이온 배터리에 산소 산화환원 반응을 접목해 그 용량을 일부라도 활용할 수 있다면 배터리에 획기적 발전이 이뤄질 것”이라고 강조했다.

김두호 교수 연구팀은 소듐 이온 배터리의 방법론을 리튬 이온 배터리에 적용한 것과 같은 통섭적 연구를 계속 진행할 계획이다. 김 교수는 “소듐 이온 배터리 외에도 차세대 배터리 종류가 많다. 각 배터리가 가진 장점을 분석하고, 장점을 골라서 실용성 있는 리튬 이온 배터리에 적용하기 위한 연구를 계속할 것”이라고 말했다. 이재운 학생은 석사 과정을 마치고 박사 과정에 진학할 계획이다. 그는 “세상에 도움이 될 재밌는 생각이 많이 남아 있다. 단순히 생각에서 그치는 것이 아닌 연구를 진행해 생각을 현실로 구현하겠다”고 다짐했다.

글 김율립 yurlip@khu.ac.kr

사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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기계공학과 김두호 교수 연구팀이 리튬 금속 배터리 상용화를 위한 새로운 실마리를 제시했다. 리튬 금속 배터리는 리튬 금속을 음극재로 사용하는 배터리로 흑연을 사용하던 기존의 리튬 이온 배터리에 비해 용량이 높아 미래 가치가 크다. 하지만 안정성 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있다. 김두호 교수 연구팀은 리튬 금속 배터리의 안정성을 확보할 수 있는 새로운 설계 인자를 제시했다. 연구 결과는 세계적인 학술지 <Advanced Energy Materials(IF 29.698)>에 10월 6일 자로 게재됐다. 김두호 교수는 “배터리 음극과 관련된 연구는 처음이다. 우리 연구팀의 역량을 확장해 가치 있던 시도”라고 평했다. 주저자로 연구에 참여한 최광현 학생(기계공학과 석사 4기)은 “기존에 시도되지 않은 새로운 방식으로 연구를 진행해 더 뜻깊었던 경험”이라고 소감을 밝혔다.

기계학습 배터리 상용화 걸림돌인 안정성 문제 개선

일반적인 리튬 이온 배터리는 흑연을 음극재로 활용한다. 음극에 흑연이 층층이 쌓여있어 리튬이 들어갈 수 있는 총량에 한계가 있다. 하지만 리튬 금속 배터리는 음극을 리튬 금속 자체로 사용하기 때문에 기존 대비 공간적 여유가 있고, 부피당 배터리 용량도 증대된다. 김두호 교수는 “리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 용량이 10배 이상 높다. 하지만 충전이 반복되는 과정에서 화재 발생 등 안정성 문제가 발생할 위험이 있다”고 설명했다.

리튬 금속 배터리가 상용화되기 어려운 이유는 ‘덴드라이트’ 현상에 기인한다. 최광현 학생은 “덴드라이트 현상은 배터리 충전이 반복되는 과정 중 음극 표면에서 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하며 결정화되는 현상을 말한다”면서 “리튬 결정이 성장해 양극과 음극의 접촉을 막아주던 분리막을 손상하고 더 나아가 화재를 일으키는 안정성 문제를 야기할 수 있다”고 말했다.

김두호 교수 연구팀은 덴드라이트 성장을 조절하는 인자를 확인하기 위해 서로 다른 3개의 알칼리 금속(리튬, 소듐(나트륨), 포타슘(칼륨)) 음극 모델을 설계했다. 각각의 모델은 덴드라이트의 성장이 비정질 구조와 깊은 관계가 있다는 선행연구를 기반으로, 서로 다른 알칼리 금속의 비정질 모델을 활용해 결과를 비교하고 일반화했다. 최광현 학생은 “배터리 안정성을 확보하기 위한 덴드라이트의 성장요인을 찾는 연구를 진행했다”라며 “영향을 미치는 성장 인자를 찾으면 보다 효율적으로 배터리를 설계할 수 있고, 성능 예측도 훨씬 수월할 것”이라고 강조했다.

연구팀은 설계 인자를 비정질 구조로 모델링했다. 이를 바탕으로 수많은 소재 정보 데이터를 기계학습해 열역학적 성장 인자를 발견했다. 그림 설명 : 범밀도함수기반 기계학습 프로세스

머신러닝 기법 도입해 안정성에 영향을 미치는 요인 발견

비교 결과 ‘덴드라이트 결정화 속도’가 안정성에 영향을 미치는 요인임을 발견했다. 최광현 학생은 “알칼리 금속이 재결정화 되는 속도가 느릴수록 덴드라이트 성장 속도가 더디고, 구조 역시 뭉툭하게 형성된다는 사실을 발견했다”고 설명했다. 김두호 교수는 “이번 발견에는 기계학습 기법을 도입했다는 점에서 가치가 높다”고 강조했다. 여러 설계 인자를 단순히 시뮬레이션하지 않고 비정질 구조를 모델링했다. 수많은 비정질 구조 정보 데이터를 학습시켜 기계학습한 결과 열역학적 성장 인자를 찾을 수 있었다.

가설 확인을 위한 공동연구도 진행됐다. 김두호 교수 연구팀은 결정화 속도가 덴드라이트 성장에 영향을 미칠 것으로 가정하고, 원자 단위 시뮬레이션을 진행했다. 가설을 나노 단위까지 검증하기 위해 한양대 최준명 교수 연구팀과 공동연구를 수행했다. 김두호 교수는 “초기 가설과 같이 나노 단위에서도 결정화 속도가 덴드라이트 성장에 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있었다”고 말했다. 최광현 학생은 “공동연구를 통해 분석법과 연구에 대한 새로운 접근 방식을 배울 수 있었다”며 “원자 단위와 나노 단위에 간극이 있다는 사실을 배웠고, 연구팀과의 대화로 이견을 줄이는 과정이 중요하다는 점을 깨달았다”고 밝혔다.

이번 연구는 리튬 금속 배터리 설계에 유의미한 기준을 제시해 높은 의의를 지닌다. 김두호 교수는 “리튬 금속 배터리에 활용할 수 있는 음극재 소재는 다양하다. 하지만 기존 연구 방식은 물질을 합성하고, 덴드라이트 성장 속도를 일일이 측정해야 해서 효율성이 떨어졌다. 하지만 이번 연구는 기계학습을 활용해 효율적으로 설계 인자를 찾을 수 있고, 실제 결과에 대한 예측도 가능하다”고 설명했다.

연구팀은 후속 연구에 대한 계획도 공개했다. 최광현 학생은 “앞으로도 계속 안정적 리튬 금속 배터리 현실화를 위해 노력할 것”이라며 “속도뿐만 아니라 다양한 설계 인자를 찾고, 궁극에는 배터리 설계를 위한 하나의 플랫폼을 개발하고 싶다”는 꿈을 공개했다. 그는 “연구자이신 아버지의 영향을 받아 연구자의 길을 걷게 됐다. 주도적으로 연구를 끌어나가는 사람으로 성장하기 위해 노력할 것”이라고 말했다.

글 김율립  yurlip@khu.ac.kr

사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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기계공학과 김두호 교수 연구팀이 계산과학 기법을 활용하여 소듐 이온 배터리의 단점으로 지적된 낮은 에너지 밀도를 해결할 실마리를 제시했다. 더 나아가 성능 개선과 연관된 새로운 현상인 ‘잠재적 기둥(Potential Pillar)’ 현상을 발견하고 이론화했다. 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 학술지 <Advanced Energy Materials(IF 29.698)> 7월 27일자 게재됐다. 김두호 교수 연구팀은 “이번 논문은 연구팀이 독자적으로 제시한 이론이 담겨 더욱 의미 있는 결과”라고 입을 모아 얘기했다.

산소 산화환원이 유발하는 이력 현상의 기원 탐구

휴대용 전자기기 다수가 가볍고, 전압이 높은 리튬 이온 배터리를 주요 전력원으로 활용하고 있다. 그러나 최근 산업계와 학계에선 리튬 이온 배터리를 대체할 새로운 배터리 연구에 매진하고 있다. 리튬의 매장량이 제한적이기 때문이다. 이에 많은 연구진이 대안으로 소듐을 활용한 배터리 연구에 집중하고 있다. 소듐은 리튬에 비해 매장량이 많아 보다 저렴하다는 장점을 지닌다.

소듐 이온 배터리는 리튬보다 원자의 반지름이 커 리튬 이온 배터리와 동일 부피를 비교했을 때 사용할 수 있는 배터리 용량이 상대적으로 낮다. 이재운 학생(기계공학과 석사 4기)은 “소듐 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 산소 산화 환원 반응을 활용하기 좋아, 전이 금속의 한계를 산소 산화 환원 반응으로 극복할 수 있다”고 말했다. 또한 “최근 연구에서 전이 금속과 산소의 산화 환원 반응이 동시에 일어나면 기존보다 월등히 높은 전극 용량과 에너지 밀도를 얻을 수 있다는 결과도 밝혀졌다”며 소듐 이온 배터리의 강점을 설명했다.

하지만 산소의 산화환원 반응은 물질의 안정성을 떨어뜨리고, 충전과 방전이 반복되는 과정에서 층상 구조가 붕괴함에 따라 전기화학적 이력 현상이 발생한다는 단점이 있다. 박상언 학생(기계공학과 석사 4기)은 “산소 산화환원 반응의 현실화를 위해서는 전압 이력 현상을 극복해야 한다”라고 덧붙였다. 김두호 교수 연구팀은 산소 산화환원이 유발하는 이력 현상의 기원과 해결책을 찾기 위해 연구를 설계했다.

각기 다른 전이 금속 치환해 일반화된 특성 제시, ‘잠재적 기둥’ 현상도 발견

연구팀은 동일 소듐 이온 배터리 층상구조에 각기 다른 전이 금속을 치환했다. 이재운 학생은 “어떤 요소가 이력 현상을 유발하는지 찾기 위해 동일 산화물에 티타늄, 망간, 니켈을 각각 치환해 성질을 비교했다”고 설명했다. 김두호 교수는 “이번 연구는 산소 산화환원 반응을 안정적으로 사용할 수 있도록 기원을 밝히는 일로, 여러 전이 금속을 치환한 결과로 일반화된 특성을 제시해 가치가 높다”고 강조했다.

특히 이번 연구에서 ‘잠재적 기둥(Potential Pillar)’이라는 새로운 현상을 발견하기도 했다. 잠재적 기둥 현상은 소듐 이온 배터리에 티타늄을 치환했을 때 일어난다. 산소 산화환원 반응으로 소듐 이온이 완전히 붕괴했음에도 산소 이합체가 형성되지 않는다는 사실을 발견했다. 박상언 학생은 “티타늄을 치환하면 그 주변의 산소가 화학적으로 강하게 결합한다. 이에 따라 티타늄 주변의 산소는 산화환원 반응이 적게 일어나 층상 구조의 붕괴를 막아주는 잠재적 기둥을 형성하게 된다”고 말했다.

일반적인 배터리는 충전과 방전을 반복하는 과정에서 배터리 내부의 양극 구조가 붕괴한다. 하지만 티타늄을 치환한 배터리는 티타늄과 산소의 결합으로 잠재적 기둥이 형성돼 양극 구조 붕괴를 늦춘다. 김두호 교수는 “잠재적 기둥 현상은 전이 금속층 사이에 강한 정전기적 반발력을 유발해 층간 산소와 산소의 이합체 형성을 억제하고 열역학적 관점에서 단상 반응을 일으킨다”고 설명했다.

니켈을 치환한 배터리는 소듐 이온이 완전히 붕괴했을 때 기존 층상구조보다 상대적으로 짧은 산소 이합체가 형성됐다. 이재운 학생은 “니켈이 함유된 소듐 이온 배터리는 짧은 산소 이합체가 형성됨을 확인했고, 이러한 결과는 충전 과정에서 다상 반응으로 이어진다는 사실을 발견했다”고 말했다. 이어 “이번 연구를 통해 세 가지 전이 금속을 활용해 산소 산화환원 반응의 기원을 설명했다. 배터리 용량이 적은 소듐 이온 배터리의 단점을 산소 산화환원 반응으로 극복할 실제적 가능성을 제시했다”며 연구 의의를 밝혔다.

조영은 기자 cyecmu@unn.net

글 김율립  yurlip@khu.ac.kr

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https://www.khu.ac.kr/kor/focus/detail.do?preview=1&seq=2163092&page=1;

리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)는 에너지 용량 대비 무게가 가볍고, 높은 전압을 갖는다. 이런 특성으로 리튬 이온 전지는 핸드폰, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 기기에 널리 사용될 뿐만 아니라, 최근 주요 산업으로 주목받는 전기차의 핵심 기술로 꼽히고 있다. 하지만 원료가 되는 리튬이 희소해 비싸다는 단점이 있다.

학계에서는 리튬의 경제성 문제를 극복하기 위해 나트륨 이차전지(Sodium ion battery) 개발이 한창이다. 지구상의 나트륨이 리튬보다 500배 이상 많아 경제적 이점이 있다. 하지만 나트륨 이차전지는 리튬 이온 전지 대비 낮은 가역적 용량과 전압으로 에너지 밀도에 한계가 있다. 기계공학과 김두호 교수 연구팀은 나트륨 이차전지의 한계 극복을 위해 양극재의 산소 산화환원 반응을 주제로 고려대 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀과 공동 연구했다.

산소 산화환원 반응 열화 현상 해결할 실마리 제시

김두호 교수 연구팀은 현재 고착돼있는 나트륨 이차전지 양극재의 산소(음이온) 산화반응 한계 극복 방법을 제시하고, 그 원인을 규명했다. 연구 결과는 세계적인 학술지 <어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF=29.368)>에 최근 게재됐다. 김두호 교수는 “이번 연구로 나트륨 이차전지 개발의 맹점으로 작용한 산소 산화환원 반응 열화현상을 해결할 가능성을 제시했다”고 말했다. 논문 제1저자로 연구에 주도적 역할을 한 구소정 학생(기계공학과 석사 4기)은 “산소 산화반응을 연구한 역사가 짧지만, 국내외 석학이 관심을 가져 학계의 주목을 받고 있다”며 산소 산화반응의 중요성을 강조했다.

나트륨 이차전지 양극재는 나트륨, 전이 금속, 산소가 결합된 층상구조를 이루고 있다. 일반적으로, 전이 금속을 중심으로 물질 간 전자 이동이 일어나 충전 및 방전이 이뤄진다. 물질 간 전자 이동 현상을 ‘산화환원 반응’이라 부른다. 김두호 교수는 “산화환원 반응의 양이 많을수록 이차전지의 사용 가능한 전입 영역 내 에너지 용량의 범위가 넓어진다”고 설명했다.

기존 이차전지는 전이 금속의 산화환원 반응만을 이용해 전기·화학 에너지를 얻었지만 최근 연구에서 산소로도 산화환원 반응이 일어날 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 전이 금속과 동시에 산소 산화환원 반응이 일어나면 기존보다 월등히 높은 전극 용량과 에너지 밀도를 얻어, 이차전지의 높은 가치를 창출한다. 하지만 산소 산화환원 반응이 반복되면 전지의 열화현상으로 인한 전지의 수명 및 에너지 효율 저하가 일어난다.

이번 연구는 공동 연구의 장점을 살려 역할을 분배했다. 실험에 강점 있는 유승호 교수 연구팀이 나트륨 이차전지 양극재 전이 금속층에 소량의 알루미늄을 도핑했다. 안정적인 특성을 갖는 알루미늄(Al)으로 높은 가역성을 유도했다. 김두호 교수 연구팀은 계산과학 기반 데이터 주도 연구를 통해 알루미늄을 도핑한 나트륨 이차전지를 원자 단위 소재 특성을 분석하고, 설계 방향을 제시했다. 그 결과 방전 용량이 증가했고, 낮은 가역성 문제도 해결됐다.

“공동연구로 연구 시야 넓혀”

일반적인 이차전지 연구는 성능 향상에 초점을 맞춘다. 구소정 학생은 “이번 연구 결과는 단순히 성능이 향상됐다는 결과를 넘어 왜 성능이 좋아졌는지 물리·화학적 특성을 분석했다”고 강조했다. 물리·화학적 분석을 통해 얻은 이해는 향후 이차전지 성능 예측에 활용할 수 있다. 구소정 학생은 “이번 연구 결과 알루미늄 도핑 소재와 기존 소재의 구조적 안정성 차이가 성능에 영향을 미쳤다. 이 사실을 바탕으로 다른 이차전지 양극재 소재를 연구할 때 기존 구조 대비 변화가 많은지 적은지를 따져 성능 예측의 지표로 사용할 수 있다”고 설명했다.

구소정 학생은 “지금껏 진행했던 그 어떤 연구보다 더 오랜 시간이 걸렸던 만큼 많이 배울 수 있었다. 공동 연구를 하며 실험으로 소재를 분석하는 방법을 더 잘 배울 수 있었다”며 “지금껏 비슷한 주제와 방법론으로 연구하다 보니 다른 관점을 이해하는 자세가 부족했다. 이번 공동연구로 연구를 대하는 다양한 관점이 있음을 깨달았다”며 공동 연구의 장점을 밝혔다.

김두호 교수 연구팀은 나트륨 이차전지 상용화를 위한 연구를 지속할 계획이다. 김두호 교수는 “이번 연구에서 제시된 알루미늄 이온의 도핑 전략을 통해 나트륨 이차전지 양극의 전압 영역 내 용량 및 안정성을 높였다. 앞으로도 연구를 지속해 나트륨 이차전지 상용화를 위해 노력할 것”이라며 계획을 설명했다. 구소정 학생은 “산소 산화환원 반응을 이용하면 기존 이차전지보다 더 많은 용량을 활용할 수 있다는 연구 결과가 계속 확인된다. 이러한 흐름에 몸을 맡겨 계속 연구하고 싶다”고 말했다.

이현진 기자  lhj@metroseoul.co.kr

글 김율립  yurlip@khu.ac.kr

사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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경희대학교는 기계공학과 김두호 교수 연구팀이 산소 산화환원반응을 활용한 리튬·소듐 배터리 소재를 설계했다고 5일 밝혔다. 이 연구 결과는 세계적인 학술지 'Energy Storage Materials'에 게재됐다.

'산화환원반응'은 물질 간 전자 이동으로 일어나는 반응을 의미한다. 스마트폰을 충전기를 연결하면, 배터리 속의 리튬(Li) 이온이 양극에서 빠져나와 음극으로 들어간다. 충전이 완료된 스마트폰을 사용하면 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동한다. 이 때 양극 기준으로 리튬이온이 음극으로 가는 과정을 '산화(oxidation)', 반대 과정을 '환원(reduction)'이라고 한다.

기존의 배터리 메커니즘은 전이 금속을 이용해 산화환원반응을 일으키는데, 김 교수 연구팀은 전이 금속이 아닌 산소에서 산화반응이 일어날 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

김 교수 연구팀은 소재 내 구성 비율과 전자 구조 특성을 고려해 산화반응이 잘 일어나지 않는 망간(Mn)과 티타늄(Ti)을 사용했다. 전이 금속을 통한 산화반응이 아닌 산소 산화반응 관찰에 집중하기 위해서다. 그 결과 망간을 이용한 배터리가 티타늄 소재보다 상대적으로 안정적이라는 사실을 확인했다.

그러나 산소 산화환원반응의 상용화는 아직 어려움이 많다. 산소 산화환원반응이 일어나는 원인을 파악하지 못했고, 산화환원반응이 반복해서 일어날 경우 가용용량이 낮아져 처음 상태를 유지하기 어렵기 때문이다.

김 교수는 "현재 산소 산화환원반응 상용화를 이끌 실마리를 찾기 위해 리튬이온배터리 소재가 아닌 소듐(Na) 이온 배터리를 이용한 산소 산화반응을 지속적으로 연구하고 있다"고 설명했다.

임홍조 기자  hongjo4368@mt.co.kr 

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https://www.khu.ac.kr/kor/focus/detail.do?seq=2153066;

태양광, 풍력 등 신재생 에너지와 결합해 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템(ESS)은 차세대 전력망을 구현하기 위한 핵심 요소로 많은 관심을 받고 있다. ESS에 일반적으로 리튬(Li) 이온 배터리를 사용하고 있는데, 이는 리튬의 부존량에 한계가 있다는 단점이 있다. 따라서 많은 연구자가 리튬과 화학적 성질이 비슷한 소듐(나트륨, Na) 이온 배터리를 신소재로 개발하기 위해 노력하고 있다. 하지만 소듐 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 상대적으로 전압과 용량이 낮아 배터리 산업에 바로 적용하기는 역부족인 상황이며 이러한 단점을 극복하기 위해 제시되는 연구 중 하나가 ‘음이온 산화-환원’이다.

김두호 기계공학과 교수 연구팀이 음이온 산화-환원을 좀 더 실용적으로 적용할 수 있는 연구 결과를 내놨다. 소듐 이온 배터리를 합리적으로 사용하기 위한 범위를 화학적, 재료공학적 관점뿐 아니라 역학적, 기계공학적인 관점을 결합해 제시한 것이다. 연구결과는 미국 화학회(ACS)가 발행하는 재료·화학 분야 국제 학술지인 <ACS Applied Materials & Interfaces>에 6월초 게재됐다.(논문명: “Uncovering the Structural Evolution in Na-Excess Layered Cathodes for Rational Use of an Anionic Redox Reaction”) 학부연구생인 이재운(산업공학과 14학번), 최광현(기계공학과 15학번) 학생이 주도한 연구라 더욱 의미가 있다. 이들을 만나 자세한 얘기를 들었다.

메커니즘에 따라 구조적인 변화 구체적으로 밝혀내

Q. 어떤 연구인가?

최광현 학생: 음이온 산화-환원 반응은 높은 전압과 추가 용량 확보라는 장점도 있지만, 단점도 존재한다. 음이온 산화-환원이 너무 많이 진행되면 배터리 성능 저하를 야기할 수 있는 구조적인 변화가 일어나는데, 이러한 부분을 계산과학을 통해 예측하는 연구를 진행했다. 어떤 소재가 어느 수준까지 배터리 충방전을 하면 이후부터 불안정한 물질이 될 수 있다는 것을 데이터와 함께 분석하고, 해석해 제시했다.

김두호 교수: 음이온 산화-환원 패러다임을 합리적으로 사용하기 위해 적정선의 범위를 설정해줘야 하는데, 지금까지 그 범위를 화학적, 재료공학적 관점에서만 해석을 해왔다. 우리는 이 부분도 언급하면서 역학적이고 기계공학적인 관점을 결합했다. 충방전을 오래 하더라도 성능이 저하되지 않고, 기존보다 개선된 상태로 쓸 수 있다는 것을 밝혔다.

이재운 학생: 실제 실험으로 확인할 수 있는 부분이 있고, 중간 변화를 확인할 수 없어 컴퓨터 계산으로 확인할 수 있는 부분이 있다. 실험만으로는 중간에 어떤 과정을 거쳐 결과가 나왔는지 설명하지 못하는 것들이 많은데, 우리 팀은 메커니즘에 따라 구조적인 변화를 구체적으로 밝혀냈다.

Q. 연구에 어려운 점은 없었나?

최광현 학생: 연구하는 과정은 매우 재밌었다. 기계공학과에서 공부하며 배운 요소가 실제 적용되고, 나름대로 해석한 것이 하나의 이론처럼 정립되는 것도 뜻깊은 경험이었다. 논문 작성 경험이 부족해 하고 싶은 말을 적절하게 표현하는 부분이 어렵기도 했다.

이재운 학생: 광현이와 마찬가지로 아직은 공부가 더 많이 필요하다고 느꼈다. 연구하면서 연구 방법 등이 이번 연구에만 국한되는 것이 아니라 다른 연구에도 적용할 수 있고, 발전해나갈 수 있겠다는 생각이 들었다. 이후 계속 연구를 진행하며 남들이 보지 못한 것을 찾아나가고 싶다.

멀티스케일에너지재료연구실에서 매주 연구발표를 통해 성취감 얻어

Q. 학부연구생으로서 뛰어난 성과를 이뤄냈다. 소감이 궁금하다.

김두호 교수: 학생들이 아직 학부생이다. 지난해 여름방학 때 우리 연구 그룹에 들어왔다. 약 1년간 연구하며 이뤄낸 성과다. 후배들, 제자들이 좀 더 넓은 세상으로 나갈 수 있는 가능성을 보여주지 않았나 싶다. 큰 보람을 느낀다.

최광현 학생: 아직 많이 부족하고, 배울 게 많다. 배터리, 반도체 등에 관심이 많았는데 김두호 교수님이 학교에 오셔서 연락을 드렸고 흔쾌히 함께하자고 해주셨다. 일주일에 한 번씩 연구발표를 해야 해서 처음에는 힘들기도 했는데, 돌이켜 생각해보면 매주 발표했던 것들이 쌓여 데이터가 축적되고, 나름대로 해석할 수 있는 능력을 갖추게 된 것 같다. 이런 데이터가 쌓여 좋은 성과를 낼 수 있었다.

이재운 학생: 산업공학과와 기계공학과를 복수 전공했다. 처음에는 기초가 없어서 문제가 많았는데, 흥미를 붙이며 실력을 키울 수 있었다. 매주 발표하며 스트레스를 받기도 했다.(웃음) 그런데 스트레스를 받는 것보다 더 높은 성취감을 얻는다. 교수님께서 많이 도와주셔서 좋은 결과를 냈다. 성과를 낸 것이 특별히 기쁘기보다 이후 더 열심히 해야겠다는 다짐을 많이 했다. 대학원에 진학해 졸업할 때는 교수님을 비롯한 우리 멀티스케일에너지재료연구실에 더 많은 도움이 되는 사람이 되어야겠다고 생각한다.

Q. 멀티스케일에너지재료연구실에서는 어떤 연구를 진행하고 있는가?

김두호 교수: 배터리 관련 소재를 개발하고 해석하는 연구실이다. 계산과학 중, 양자역학 기반의 범 밀도 함수 이론(Density Functional Theory) 계산을 통해 데이터를 산출하고, 이를 기반으로 적절한 데이터를 채굴하여, 현재 소재들이 갖고 있는 문제를 진단해 더 좋은 소재로 개발될 수 있게 하는 가이드 역할을 한다. 또한 시뮬레이션을 통해 예측한 결과를 실험으로 검증하고 있다.

열린 마음으로 토론하고 함께 성장하는 사람이 목표

Q. 향후 계획이 있다면?

김두호 교수: 앞으로의 연구도 지금까지 해온 방향과 크게 다르지 않다. 요즘은 철학적인 방향을 두고 고민하고 있다. 교수자가 의도하는 대로 모든 학생을 이끌고 갈 수도 없고, 또한 교수자의 방향도 정답이라고 단언할 수 없기에 고민이 많다. 어떻게 하면 학생들이 스스로 세워둔 장벽을 넘어 더 나은 사람으로 성장하게 할 수 있을까 생각하고 있다. 경희대 학생들은 충분히 사회에 공헌할 수 있는 능력을 갖췄다고 생각한다. 졸업 이후에도 어느 위치에서든지 학교에서 배웠던 것을 다른 사람을 위해 나눌 수 있는 마인드를 가졌으면 하는 마음이다.

최광현 학생: 연구자이신 아버지의 영향을 받아 어려서부터 연구를 하고 싶었고 좋은 기회로 김두호 교수님 연구실에 들어오게 됐다. 교수님께서 공부하는 방식부터 삶을 살아가는 데 필요한 조언을 많이 해주셔서 많은 도움이 됐고, 성장해나가고 있다. 주도적으로 연구를 이끌어나가는 사람이 되고 싶다. 그러기 위해서는 더 오래 공부해야 한다는 것을 알고 있다. 연구를 주도적으로 할 수 있는 사람이 될 때까지 공부를 멈추지 않을 것이다.

이재운 학생: 스스로 알아내기까지는 시간이 오래 걸리지만, 누군가 알려주면 금방 알 수 있는 것이 있는 듯 싶다. 자기가 알고 있는 것을 나누지 않으려는 사람들도 있는데, 김두호 교수님께서는 편협한 마음 없이 많이 도와주려고 하신다. 덕분에 스스로 더 많은 생각을 할 수 있었다. 나 또한 앞으로 무언가를 가르쳐줄 상황에 놓인다면 열린 마음으로 토론하고 함께 성장하며 연구할 수 있는, 누군가에게 도움이 되는 사람이 되고 싶다.

글 박은지 sloweunz@khu.ac.kr

사진 정병성 pr@khu.ac.kr

ⓒ 경희대학교 커뮤니케이션센터 communication@khu.ac.kr

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동국대학교(총장 한태식) 강용묵 교수 연구팀은 경희대, 서울대와의 공동 연구를 통해 현재 사용되고 있는 리튬이차전지에 비해 부존자원이 풍부하고 가격경쟁력이 우수한 나트륨 이차 전지용 인계 금속 음극 소재의 수명 특성 및 고율 특성 향상을 위한 주요 설계인자를 규명하는데 성공했다.

신재생 에너지 시대 전력 저장 및 분배에 있어서 핵심이라 할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기자동차(EV) 부문은 높은 출력, 높은 에너지 밀도, 낮은 단가를 동시에 구현할 수 있는 이차 전지의 출현을 요구하고 있다. 특히 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 리튬 전구체의 부존량 한계와 높은 가격으로 인해 단가 및 부존량 측면에서 상대적인 장점이 두드러지는 나트륨 이온 이차 전지에 대한 관심이 커지고 있다.

강용묵 교수팀은 다년간 리튬 이온 이차 전지 양극 및 음극의 성능에 필적하면서도 낮은 단가를 가지는 나트륨 이온 이차 전지 양극용 Mn(망간)계 산화물 소재 및 음극용 인(P)계 금속 소재 등에 대한 연구를 진행해왔다. Mn계 산화물 양극 소재에 대한 연구 성과에 이어서 고용량 음극 소재로서 높은 가능성을 가지는 인계 금속 음극 소재에 대한 기반 기술 개발에도 성공했다.

인계 소재는 높은 용량에도 불구하고 하드카본과는 달리 나트륨 이온과의 합금화/비합금화 반응을 통해 충방전이 이루어지기 때문에 부피팽창과 상분리가 수반되고 결과적으로 수명특성 및 고율특성이 조기에 퇴화되는 문제점을 가지고 있다.

이번 연구에서는 인계 소재와 금속의 복합소재가 제조되었을 때 나트륨 이온의 충전 과정에서 인의 부피팽창에 대한 수용 능력이 증가하며, 전기화학특성 퇴화를 가속화시키는 상분리 또한 감소한다는 점을 규명함으로써 고용량 고수명 인계 음극 소재의 구현을 위한 중요한 설계 방향을 제시했다.

강 교수는 “전세계적으로 전기자동차(EV)로의 전환은 이미 아주 빠르게 진행되고 있으며, 결국 전기자동차 뿐 아니라 이를 충전하기 위한 시스템의 단가에 대한 고민이 산업적으로 매우 중요해지고 있다. 이런 점을 고려하여 본 연구 그룹에서는 나트륨 이온 이차 전지 연구에 있어서 단가가 가장 낮은 Mn 기반의 양극 소재, 인계 음극 소재에 초점을 맞춰 연구를 진행해오고 있다."고 밝혔다.

이어 "특히 리튬 이차 전지 대비 가격 측면에서의 장점이 있는 나트륨 이차 전지의 에너지 밀도를 리튬 이차 전지와 유사한 수준으로 향상시키기 위해서는 고용량 인계 음극 소재의 수명 특성 및 고율 특성 안정화가 매우 중요한 상황이고, 이런 측면에서 본 연구 결과의 중요성이 있다고 생각된다”고 말했다.

이 연구결과의 제 1저자로는 해외우수신진연구자 지원 사업의 지원을 받고 있는 동국대 장카이 박사와 경희대 김두호 교수가 참여했으며, '한국연구재단 해외우수신진연구자 지원 사업, 중견 연구 사업' 등의 지원을 받아 경희대 김두호 교수, 서울대 조맹효 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 수행됐다.

해당 결과는 에너지 환경 분야 권위지인 ‘Energy & Environmental Science’지에 지난 2월 15일 인터넷 판으로 게재됐다.

조인숙 기자  srtimes0311@daum.net 

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리튬 이온 전지는 현재 스마트폰, 노트북 등 대부분의 전자기기에 사용되고 있다. 문제는 리튬(Li)의 매장량. ‘하얀 석유’로 불릴 만큼 희소성이 높은 리튬을 대체할 차세대 전지 연구가 활발하다. 그중 하나가 소듐 이온 전지다. 소듐(Na)은 지구상에 존재하는 원소 중 여섯 번째로 풍부하며 그만큼 가격경쟁력이 우수하다.

김두호 기계공학과 교수 연구팀이 소듐 이온 전지용 양극 소재 안정화 기술을 개발했다. 연구팀은 계산과학인 제1원리 계산을 이용한 멀티스케일 소재 설계를 통해 망간(Mn)계 소듐 이온 전지 양극 산화물의 불안정성을 극복할 해결책을 제시했다. 그간 극심한 수명특성 저하와 낮은 에너지 밀도로 난항을 겪던 소듐 이온 전지 상용화에 한발 다가선 연구결과다.

소듐 이온 전지는 신재생에너지 시대 필수 장비로 꼽히는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System) 및 전기자동차가 요구하는 높은 출력, 높은 에너지 밀도, 낮은 단가를 동시에 구현할 수 있어, 이번 연구가 산업적으로도 많은 기여를 할 것으로 보인다. 연구 결과는 국제 저명 학술지 <Nature Communications>에 1월 7일 온라인판으로 게재됐다.

‘계산과학‘으로 시행착오 줄여, 시간 및 비용 절감 

그간 소듐 이온 전지의 낮은 에너지 밀도와 극심한 수명특성 저하의 한계를 극복하기 위해 많은 연구자들이 경험적 지식을 기반으로 다양한 경우의 수를 두고 재료를 설계해왔다. 이는 시행착오가 많이 발생할 수밖에 없어 경제적으로 효율적이지 못하다. 계산과학은 이 같은 단점을 극복할 수 있는 방안 중 하나로 시뮬레이션 기법을 이용해 원자 구조에 대한 이해를 바탕으로 재료를 설계한다.

김두호 교수 연구팀은 망간(Mn)계 산화물의 소듐 이온 자리에 아연(Zn)을 치환함으로써 얀-텔러 디스토션, 페이즈 세퍼레이션(Jahn-Teller distortion, Phase separation) 등 뒤틀리거나 분리되면서 구조를 불안정하게 만드는 근본 요인이 억제됨을 예측했다.

이를 강용묵 동국대학교 교수와의 공동연구를 통해 전자현미경, 방사광 X-ray분석 등으로 증명했으며, 해당 소재의 수명 특성을 포함한 제반 전기화학 특성이 획기적으로 향상되는 것을 확인했다. 시뮬레이션 기법을 통해 재료를 설계하는 데 그치지 않고 실제 실험으로 증명한 것이다.

김 교수는 “배터리 소재 설계 접근은 경험적 지식을 토대로 성능 향상에만 초점이 맞춰져, 근래에는 기술적 병목현상이 발생하고 있다. 이론이 기반인 작동 메커니즘 연구가 결여되면, 시행착오로 발생되는 소요 시간이 상당하고, 경제적 효율성도 떨어진다”라며 “따라서 다중 스케일·물리 관점의 데이터가 기반인 계산과학을 이용한 합리적 재료 설계 기술의 필요성이 극대화 될 것”이라고 전했다.

다양한 학문이 융합된 기계공학, 멀티스케일 관점 확보해야 

2018학년도 2학기 신임교원으로 초빙된 김두호 교수는 경희대 기계공학과를 졸업한 동문이다. 모교로 돌아온 김 교수는 ‘후배’인 학생들에게 알려줄 것이 많다. “배터리 시장이 성장세다. 이전까지는 재료공학이나 화학공학에 초점을 맞춰 연구가 진행됐는데, 산업계에서는 기계공학도에 대한 수요가 상당히 증가하고 있다”고 언급했다.

김 교수는 “현재 기계공학은 다양한 학문이 융합되고 미시적 단위까지 다루기에, 기계공학도는 다중 스케일·물리 관점을 갖고 있어야 한다. 새로운 기계공학적인 마인드를 후배들에게 전달해줘 더 좋은 길로 나아갈 수 있도록 인도하고 싶다”고 교수로서의 포부를 밝혔다.

연구에 대한 생각도 전했다. 김 교수는 “연구자는 연구 분야에 대한 정체성이 확고해야 하고, 흔들리지 않는 주관이 있어야 한다”라며 “연구도 트렌드가 있는데, 트렌드만 따라가다 보면 기초연구가 무너져 계속 발전할 수가 없다. 자신의 분야가 조명 받지 않더라도 주관을 갖고 밀고 나가는 집념을 잃지 않고 연구를 계속해 나갈 예정이다”라고 말했다.

포타슘 전지 등 차세대 전지 소재 연구할 것

연구는 ‘협업’에 의해서 완성된다는 게 김 교수의 생각이다. 김 교수는 아낌없이 지원해주신 지도교수님과 공동연구팀에게 감사의 인사를 전하며 “혼자서는 이번 연구를 하지 못했을 것”이라며 “석·박사 과정 중에도 함께 논의하고 응원해주는 동료가 있었기에 힘들어도 즐겁게 할 수 있었다”고 협업의 중요성을 강조했다. 김 교수는 기계공학과뿐 아니라 타 학과와의 공동연구도 계획하고 있다.

김 교수는 “소듐 이온 전지, 더 나아가 포타슘(칼륨) 전지 연구가 최근 시작되고 있다. 차세대 전지 연구를 계속해나갈 계획이다. 기존의 작동 메커니즘을 뛰어넘는 새로운 패러다임을 기반으로 배터리 소재의 기반을 다지는 연구를 할 예정이다”라고 말했다.

이번 연구의 공동 제1저자로 해외우수신진연구자 지원 사업의 지원을 받고 있는 동국대 장카이 박사가 참여했으며, 한국연구재단 해외우수신진연구자 지원 사업, 중견 연구 사업, 리더 연구 사업(창의연구) 등의 지원을 받아 서울대 조맹효 교수, 포항공대 최시영 교수, 동국대 강용묵 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 수행됐다.

글 박은지 sloweunz@khu.ac.kr

사진 정병성 pr@khu.ac.kr 

ⓒ 경희대학교 커뮤니케이션센터 communication@khu.ac.kr 

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https://www.khu.ac.kr/kor/focus/detail.do?seq=2109974; http://www.m-i.kr/news/articleView.html?idxno=486095; http://www.dhnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=90296; http://edu.chosun.com/site/data/html_dir/2019/01/08/2019010802370.html; http://www.gukjenews.com/news/articleView.html?idxno=1050982; http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=140451; http://www.speconomy.com/news/articleView.html?idxno=135380; http://news.unn.net/news/articleView.html?idxno=205729; http://www.asiatime.co.kr/news/articleView.html?idxno=222099; http://www.metroseoul.co.kr/news/newsview?newscd=2019010900029 

서울대 연구진이 차세대 이차전지로 꼽히는 나트륨 이온전지의 효율성을 높일 수 있는 획기적인 연구 성과를 냈다.

서울대는 조맹효 기계항공공학부 교수 연구팀(제1저자 김두호 연구원)이 미국 텍사스주립대와 공동으로 새로운 개념의 나트륨 양극소재를 개발했다고 6일 발표했다. 충·방전이 가능한 이차전지로 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지를 대체할 가능성을 한층 높였다는 평가가 나온다.

일본 소니가 1990년대 처음 개발한 리튬이온전지는 가벼우면서 효율성이 높아 니켈·카드뮴 전지를 빠르게 대체했지만 최근 성능 향상 속도가 현저히 느려진 데다 희소 자원인 리튬의 가격이 비싸다는 단점을 안고 있다. 반면 나트륨 이온전지는 지구상에 흔한 나트륨이 원료라 단가가 낮고 원료 공급이 안정적이란 장점이 있다.

조 교수팀의 성과는 크게 두 가지다. 우선 전지의 충·방전 효율성을 좌우하는 전이금속으로 많이 쓰고 있는 망간 대신 다른 금속을 활용할 수 있는 길을 열었다. 나트륨 이차전지의 양극 소재는 산화·환원 반응을 하는 나트륨과 전이금속이 하나의 안정적인 결정 구조(착이온 상태)를 이뤄야 한다. 이번 연구에서 개발한 나트륨 양극소재는 전이금속과 결합한 산소만으로 작동해 망간 대신 티타늄이나 마그네슘 등 다른 광물을 활용할 수 있다.

전통적인 연구방법론에서 벗어나 계산과학을 활용해 연구 효율성을 높인 점도 성과다. 지금까지는 일일이 실험을 통해 나트륨에 맞는 전이금속을 찾았지만 조 교수팀은 계산과학 기법을 활용해 성공 가능성이 높은 소재를 미리 선택, 검증하는 방식을 도입했다. 조 교수는 “음이온 산화·환원 반응으로 작동하는 나트륨 양극소재 물질군을 최초로 제시한 데 의의가 있다”고 말했다.

이번 연구 결과는 재료공학 분야의 세계적 권위지 ‘어드밴스트머티리얼즈’ 9월호에 표지 논문으로 실렸다. 조 교수는 “아직은 걸음마 단계지만 상용화된다면 가격 측면에서 강점이 있다”고 설명했다.

황정환 기자 jung@hankyung.com

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http://news.hankyung.com/article/2017090608891 ; http://www.fnnews.com/news/201709060804450647  ;  http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=95191 ; https://eng.snu.ac.kr/node/14849

In the battle of the batteries, lithium-ion technology is the reigning champion, powering that cellphone in your pocket as well as an increasing number of electric vehicles on the road. 

But a novel manganese and sodium-ion-based material developed at The University of Texas at Dallas, in collaboration with Seoul National University, might become a contender, offering a potentially lower-cost, more ecofriendly option to fuel next-generation devices and electric cars. 

Battery cost is a substantial issue, said Dr. Kyeongjae Cho, professor of materials science and engineering in the Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science and senior author of a paper describing the new material in the journal Advanced Materials. 

As manufacturers — and consumers — push for more electric vehicles (EVs), lithium production may have a hard time keeping up with increasing demand, Cho said. According to a recent report by the International Energy Agency, the global electric car stock surpassed 2 million vehicles in 2016 after crossing the 1 million mark in 2015. The report notes that, depending on the policy environment, there is a good chance that it will range between 9 million and 20 million by 2020 and between 40 million and 70 million by 2025. 

In terms of cost savings in the EV battery, using sodium would be less expensive because sodium is more abundant, but it has some drawbacks. 

“Lithium is a more expensive, limited resource that must be mined from just a few areas on the globe,” Cho said. “There are no mining issues with sodium — it can be extracted from seawater. Unfortunately, although sodium-ion batteries might be less expensive than those using lithium, sodium tends to provide 20 percent lower energy density than lithium.” 

The energy density, or energy storage capacity, of a battery determines the run time of a device. 

“We used our previous experience and thought about these issues — how can we combine these ideas to come up with something new to solve the problem?” Cho said.

A battery consists of a positive electrode, or cathode; a negative electrode, or anode; and an electrolyte in between. In a standard lithium-ion battery, the cathode is made of lithium, cobalt, nickel and oxygen, while the anode is made of graphite, a type of carbon. When the battery charges, lithium ions move through the electrolyte to the anode and attach to the carbon. During discharge, the lithium ions move back to the cathode and provide electric energy to run devices.

“There was great hope several years ago in using manganese oxide in lithium-ion battery cathodes to increase capacity, but unfortunately, that combination becomes unstable,” Cho said. 

In the design developed by Cho and his colleagues, sodium replaces most of the lithium in the cathode, and manganese is used instead of the more expensive and rarer elements cobalt and nickel. 

“Our sodium-ion material is more stable, but it still maintains the high energy capacity of lithium,” Cho said. “And we believe this is scalable, which is the whole point of our research. We want to make the material in such a way that the process is compatible with commercial mass production.” 

Based on their knowledge of the physics and chemistry of other experimental materials, the researchers attacked the problem with rational material design. They first ran computer simulations to determine the configuration of atoms that showed the most promise before making and testing the material in the lab. 

Cho said his research is not just about coming up with a better battery. How the research was done is just as important and as interesting, he said. 

“When Thomas Edison was trying to develop a light bulb, he tried thousands of different materials for the filament to see which ones worked,” Cho said. “To solve very important engineering problems in society today, we need to develop lots of new materials — battery materials, pollution control materials and others. Edison was perfecting one item — the light bulb — but we have so many more technological needs. We don’t have time to keep trying to accidentally find the solution.” 

Co-authors of the study are lead author and graduate student Duho Kim and Dr. Maenghyo Cho, both at Seoul National University in Korea. The research was funded by the National Research Foundation of Korea and the Ministry of Trade, Industry and Energy of Korea.

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