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배터리 양극재 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 신기술이 개발됐다. 수소 이온을 활용해 소재의 물성을 변형시켜 배터리의 에너지 저장 성능을 높였다. 

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭·이주형 신소재공학부 교수와 이정태 경희대 교수 공동 연구팀이 수소 이온을 활용해 에너지 저장에 적합하도록 소재의 물리화학적 특성을 바꾸는 금속 산화물 수소화 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 금속 산화물 수소화는 금속 산화물 내부에 수소 이온과 전자가 삽입되는 반응을 말한다.
그동안 수소화를 정교하게 조절하는 작업은 기술적 한계가 있었다. 연구팀이 개발한 합성법은 금속 산화물과 산성 용액에 녹아 있는 금속이온의 표준환원전위 차이를 통해 금속 산화물의 결정성 내부로 삽입(도핑)되는 수소의 양을 정교하게 조절할 수 있다. 표준환원전위는 표준 수소 전극과 환원이 일어나는 반쪽 전지를 결합시켜 만든 전지에서 측정한 전위를 의미한다.

연구팀은 재료 기초분석을 통해 금속 산화물 내부에 수소 이온이 있으면 금속 산화물의 구조적·전기화학적 특성이 조절된다는 점에 주목했다. 이러한 특성에 기반해 수소화-몰리브데넘 산화물을 리튬이온 배터리의 양극재로 활용해 높은 에너지 용량을 저장할 수 있는 배터리 양극재 소재 설계에 나섰다.
현재 상용 단계에 있는 리튬이온 배터리 양극 소재는 코발트, 니켈, 철, 망간 등이다. 이들의 에너지 용량은 140~200mA(밀리암페어)/g로 한계에 도달한 상황이다.
몰리브데넘 산화물은 이론상 279mA/g의 용량을 저장할 수 있다. 다만 배터리 충·방전 중 발생하는 결정 구조의 붕괴 현상에 따른 내구성 문제와 낮은 이온전도성으로 인한 느린 충·방전 속도로 상용화에 어려움이 있다.
연구팀이 개발한 수소화-몰리브데넘 산화물 양극 소재는 상용 소재 대비 약 1.4~2배에 해당하는 280mA/g의 높은 에너지를 저장했다. 또 약 20분 안에 170mA/g의 에너지를 빠르게 저장·사용할 수 있었다.
수소화-몰리브데넘 산화물 양극재는 기존 몰리브데넘 산화물이 가지고 있는 고질적 문제인 구조 붕괴 현상이 억제돼 1000회의 충·방전 이후에도 초기 용량의 약 76%를 유지할 만큼 수명이 향상됐다. 

연구팀은 전기화학 및 분광학 기초실험을 통해 도핑된 수소 이온이 몰리브데넘 산화물의 충·방전 시 발생하는 결정 구조의 붕괴 반응을 제한해 배터리 사이클의 안정성을 개선한다는 점을 확인했다. 수소 이온은 몰리브데넘 산화물의 대칭적 결정 구조를 뒤틀어 결정 내 리튬 이온이 원활하게 확산할 수 있는 경로를 만들어 빠른 충·방전이 가능하게 한다는 사실도 규명했다.

 
연구팀은 외부의 에너지 공급 없이 금속 산화물 내에 수소 이온을 삽입할 수 있는 방법론을 새롭게 고안했다. 또 수소 이온을 활용해 재료의 물성 특성을 조절할 수 있다는 사실을 확인해 이번 기술 개발의 산업적 활용 가능성과 실효성을 검증했다.
엄 교수는 “이번 연구는 금속 산화물 수소화 반응의 작동 원리를 규명했다는 점에 학술적 의의가 있다”며 “특히 수소 이온을 활용해 재료가 가진 고유한 물성을 매우 용이하게 조절함으로써 향후 에너지 소재 개발에 새로운 장을 마련할 것으로 기대한다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난달 5일 온라인 게재됐다. 

https://m.dongascience.com/news.php?idx=69458

황화리튬(Li2S) 전극 소재의 기계적 압축 통해 양극재 반응역학 가속화

전기차 및 전자기기용 고성능 배터리 상용화에 큰 기여 기대 

기계공학과 김두호 교수와 식물·환경신소재공학과 이정태 교수 공동연구팀은 황화리튬(Li2S) 전극의 기계적 압축을 활용하여 이차전지의 충전 속도와 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 설계 방안을 제시했다. 이번 연구는 전기차(EV)와 휴대용 전자기기 등 고성능 전자제품에 적합한 차세대 배 터리 기술 개발의 중요한 전환점을 마련할 것으로 기대된다. 연구팀은 상변화 및 반응 속도를 촉진하고, 고속 충전 환경에서도 우수한 효율을 유지할 수 있는 배터리 구조를 구현하는 데 성공했다. 

기계적 압축을 통한 전기화학적 성능 향상 

리튬-황 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 두 배 이상 높아 전기차와 에너지 저장 시스템(ESS) 분야에서 차세대 배터리 기술로 주목받 고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 황이 리튬 설파이드(황화리튬)로 전환될 때 반응 속도가 느리고, 에너지 효율이 낮아 상용화에 어려움이 있었다. 문제를 해결하기 위해 연구팀은 전극 구조의 물리적 변화를 도입했다. 황화리튬(Li2S) 전극의 압축 환경이 배터리 성능에 미치는 영향을 집중적으로 분석한 것이 다. 

연구팀은 황화리튬(Li2S) 전극을 다공성 탄소 구조의 좁은 기공에 물리적으로 가두어 기계적 압축 상태를 형성했다. 그 결과, 전극의 격자구조에 변형이 발생했다. 이러한 구조적 변형은 상변화 장벽을 낮추고 리튬 이온의 이동 경로를 최적화하여 전극의 반응 속도를 획기적으로 개선하는 효과를 가져왔다. 

가속화된 반응 역학은 성능 향상으로 이어졌다. 연구팀은 다양한 실험과 분석을 바탕으로 이 새로운 설계 전략의 효과를 입증했다. X선 회절 분석(XRD) 을 통해 압축 환경에서 전극의 격자구조가 미세하게 왜곡되었음을 확인했다. 이 미세한 구조 변화가 리튬 이온 이동 경로를 재구성하여 상변화 반응성을 높이는 핵심 요인임을 밝혀냈다. 또한, 임피던스 분광법(EIS) 실험에서는 압축된 전극의 이온 확산 계수가 기존 대비 50% 이상 증가한 것을 보여주었다. 이는 리튬 이온 경로의 최적화가 충·방전 과정에서 전극의 반응 속도를 크게 향상시키는 중요한 요인임을 시사한다. 

전기화학적 실험을 통해 충·방전 효율의 개선도 확인됐다. 압축 환경에서 황화리튬(Li2S) 전극은 충전 과정에 필요한 전압이 기존의 2.1V에서 1.9V로 낮 아졌다. 이는 충전 시간이 단축되고 에너지 효율성이 높아졌음을 보여준다. 또한, 충·방전 후에도 전극의 안정성이 유지되어 배터리 용량이 기존 대비 두 배 이상 증가했다. 

연구에서 제시된 설계 원리는 리튬-황 배터리에만 국한되지 않는다. 연구팀은 다양한 알칼리-칼로겐 화합물(alkali-chalcogenides) 기반 배터리 모델에 서도 이 방법이 효과적임을 실험을 통해 입증했다. 이는 차세대 이차전지 기술의 폭넓은 응용 가능성을 열어주는 중요한 성과다. 

결과적으로 연구팀은 기계적 압축을 통해 전기화학적 강성을 낮추는 방식으로 이차전지 전극 재료를 설계하면 고속 충전이 가능하다는 새로운 설계 패러 다임을 제시했다. 이번 연구는 전기화학적 강성 개념을 도입하여 기존 전극 설계 방식을 넘어서는 혁신적인 접근법을 제공한 점에서 큰 의의가 있다. 성능 향상과 기계적 안정성을 동시에 충족하는 이차전지의 상용화 가능성을 높이는 중요한 성과로도 평가된다. 

리튬-황 배터리 상용화를 위한 학제 간 노력 

이번 성과는 리튬-황 배터리 설계 문제를 해결하기 위한 학제 간 지속적인 협력의 결과물이다. 김두호 교수와 이정태 교수 공동연구팀은 지난해 리튬-황 배터리 성능 개선 연구를 진행하여 높은 수준의 성과를 달성한 바 있다. 당시 연구에서는 황화리튬(Li2S)에 셀레늄과 텔루륨을 도핑하여 결합 강도를 약 화시키고 상변화 과정의 유연성을 높여 충·방전 속도와 배터리 용량을 20% 이상 증가시킨 성과를 거두었다. 이번 연구는 앞선 성과를 기반으로 한 후속 연구로, 리튬-황 배터리의 상용화 가능성을 더욱 높였다. 

연구를 진행한 김두호 교수 역시 "경희대 구성원 간의 지속적인 학문적 교류를 통해 얻은 의미 있는 성과이자, 작년 연구의 후속 연구로서 그 의미가 더욱 크다"고 강조했다. 이어, “다양한 학문적 접근법이 융합되어 얻은 값진 결과”라고 덧붙였다. 김 교수 연구팀은 인공지능(AI)과 빅데이터 예측을 활용한 계 산과학적 접근을, 이 교수 연구팀은 고도 전기화학분석 및 X-RAY 기반 분광분석을 통해 심층 연구를 진행했다. 

연구팀의 도전은 여기서 멈추지 않는다. 후속 연구를 통해 기술의 실용화를 더욱 앞당기겠다는 계획이다. 이정태 교수는 "축적된 연구를 바탕으로 고성능 차세대 이차전지 실현을 위한 지속적인 혁신을 추구할 것"이라고 밝혔다. 

연구팀의 성과는 세계적인 학술지 ＜Advanced Functional Materials＞(IF=18.5)에 11월 11일 게재되어, 국제적으로 높은 평가를 받았다. 

글 정예솔 wg1129@khu.ac.kr 

사진 정병성 pr@khu.ac.kr 

https://news.khu.ac.kr/kor/user/bbs/BMSR00044/view.do

경희대학교(총장 한균태) 식물·환경신소재공학과 이정태 교수 연구팀이 다중 산화·환원 반응 물질의 수명향상을 위한 새로운 구동 전략을 제시했다. 관련 연구 결과는 〈Operational strategy for multiredox-reaction electrodes for long-lifespan Na-ion hybrid capacitors〉라는 제목의 논문으로 국제학술지인 〈케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal〉(IF=15.1)의 11월 호에 게재됐다.

에너지 저장에 관한 관심과 필요가 증대되고 있다. 소형 전자기기부터 대용량 전력 저장장치 등 일상생활 곳곳에서 에너지 저장 소자가 쓰이고 있다. 에너지 저장 소자에는 주로 ‘리튬(Lithium)’이 활용됐다. 충전해 사용하는 ‘리튬이온 배터리’의 핵심 소재이다. 가벼우면서 대용량이며 효율적으로 전기를 만들 수 있어 휴대전화, 컴퓨터 등 전자기기에 널리 사용된다. 하지만 리튬은 특정 지역에서만 생산되고 매장량도 적어 대체재의 개발이 시급한 실정이다.

리튬의 대체재로 주목받은 소재는 ‘나트륨’으로 ‘고성능 나트륨 저장 재료’ 개발의 당위성이 대두되고 있다. ‘다중 산화·환원 반응(Multiredox-reaction) 물질’을 활용해 제작된 이 재료는 고에너지 나트륨 이온 전지(SIBs)와 나트륨이온 하이브리드 커패시터(SICs)의 제조에 활용된다. 성능이 탁월한 이 소재는 충·방전 과정에서 여러 원소가 다양한 산화·환원 반응을 일으켜 수명이 길지 않은 단점 때문에 활용되지 못했었다.

이정태 교수는 다중 산화·환원 반응 물질의 문제점을 해결하기 위해 연구를 수행했다. 연구팀은 고성능 나트륨이론 배터리 전극 물질인 ‘Na2VTi(PO4)3(NVTP)’을 통해 다중 산화·환원 반응 물질의 수명을 늘릴 수 있는 전략을 도출했다. 이 물질은 V2+/V3+, Ti3+/Ti4+, V3+/V4+ 등 세 가지 산화·환원 반응을 이용한다. 연구팀은 고도 전기화학 분석에 집중해 다중 산화·환원 반응 물질이 일으키는 세 가지 산화·환원 반응의 근본적 특성을 살폈다. 그 결과 수명 감소에 가장 치명적 영향을 미치는 산화·환원 반응을 찾을 수 있었다.이후 특정 반응을 나트륨이온 배터리와 하이브리드 커패시터에서 효과적으로 제거할 수 있는 구동 전략을 세웠다.

효과는 탁월했다. 기존의 나트륨이온 배터리가 300사이클 동안 41%의 용량을 유지했던 것과 비교해 91%의 용량을 유지했고, 하이브리드 커패시터는 5000사이클 동안 60%를 유지한 기존에 비해 80%를 유지했다. 이정태 교수는 “이번 연구는 다중 산화·환원 물질에 대한 기본적 이해를 바탕으로 고성능 나트륨이온 전지와 하이브리드 커패시터의 설계, 개발 및 구동에 새로운 패러다임을 제시할 수 있었다”라고 평가했다.

이번 연구는 이정태 교수와 경희대 일반대학원 석사과정 홍태화, 김제덕 학생이 주도했고, 포항공과대학교 화학공학과 조창신 교수가 공동으로 연구했다. 한국연구재단과 한국임업진흥원의 지원을 받았다. 이 교수는 후속 연구도 포스텍과 함께 진행할 계획이다. 그는 “후속 연구를 통해 나트륨 기반 에너지 저장 소재를 포함해, 더욱 다양한 차세대 에너지 저장 소재를 연구·개발할 것이다. 뛰어난 경희대 학생과 포스텍 학생 간의 교류로 새로운 아이디어를 발전시켜 과학기술발전에 기여할 연구를 수행하겠다”라고 밝혔다.

온라인 중앙일보

식물·환경신소재공학과 이정태 교수 연구팀, ‘단계적 여과 이론’ 규명
에어프라이어 기반 고함량 필러 혼입 반응 중합법 개발
기존 연구성과 대비 전기전도도, 전자파 차폐 및 습도 감지 특성 대폭 향상

식물·환경신소재공학과 이정태 교수 연구팀이 전북대 유기소재섬유공학과 김성륜 교수와 공동연구팀을 이뤄 초전도 복합체의 신규 메커니즘인 ‘단계적 여과 이론(Stepwise Percolation)’을 규명했다. 관련 연구성과는 국제저널 <Materials Today Physics>(IF: 11.5)에 게재했다.

탄소나노튜브와 그래핀 등의 나노탄소는 차세대 전도성 복합체의 충진재로 주목받고 있다. 전도성 복합체의 거동은 주로 ‘퍼콜레이션 이론(Percolation Theory)’으로 설명된다. 하지만 최근 학계에 보고되고 있는 ‘연속화된 충진재(Filer Network)’를 적용한 전도성 복합체의 전기전도도가 퍼콜레이션 이론의 예측치를 뛰어넘고 있음에도 불구하고 이에 대한 메커니즘이 명확히 규명되지 않았다.

단계적 여과 이론 실험적 증명

연구팀은 에어프라이어를 이용한 반응 중합법을 개발해 고함량 필러가 혼입된 복합체를 제조했다. 이를 통해 연속화된 충진재가 혼입된 초전도 복합체의 전도 특성이 발현되는 메커니즘을 규명했다. 이 이론에는 ‘단계적 여과 이론’이라는 이름을 붙였다.

전도성 복합체에서 발생하는 전자의 터널링 저항 효과가 필러의 직접적인 물리적 접촉으로 감소하면, 전자의 이동속도가 향상돼 연속화된 충진재가 혼입된 복합체가 더 우수한 전도 특성이 나타났다. 연구팀은 이를 실험적으로 확인했고, 제안한 단계적 여과 이론에 기초해 이런 특성을 예측할 수 있음도 규명했다.

연구팀이 제조한 초전도 복합체는 기존 퍼콜레이션 이론의 예측치와 비교해 각각 3,828%, 236%, 55% 향상된 최대 4,086S/m, 50dB 및 82%의 전기전도도, 전자파 차폐 성능 및 습도 감지 특성을 나타냈다.

글 정민재 ddubi17@khu.ac.kr 

식물·환경신소재공학과 이정태 교수, 기계공학과 김두호 교수 공동연구 진행
서로 다른 연구 방법으로 차별성 확보, 에너지 효율과 배터리 용량 모두 늘어

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 

경희대학교는 생명과학대학 식물·환경신소재공학과 학부생들이 포플러 나무를 친환경 에너지 저장 소재로 활용하는 방안을 제시했다고 18일 밝혔다.

연구에 참여한 학생은 식물·환경신소재공학과 장현지(17학번), 박연후 (17학번) 등이며, 같은 과 이정태, 고재흥, 유정목 교수가 동참했다.

이번에 사용된 포플러나무는 식물생명공학 기술을 접목해 화학 성분을 개질한 것으로, 이를 이용해 슈퍼커패시터를 제작하면 야생 포플러나무에서보다 정전용량이 약 80% 향상된다. 형질전환 포플러나무를 분쇄해 가루로 만들고, 수산화칼륨과 함께 고온에서 탄화 및 활성화를 동시에 진행해 슈퍼커패시터 소재를 합성한다

특정 목질 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌의 비율이 일정해 같은 목질 바이오매스를 사용 하면서 전기화학에너지 저장 성능의 향상을 기대하기 어렵다. 

이에 연구팀은 포플러나무의 형질을 전환해 리그닌의 함량은 낮추고 셀룰로오스의 함량은 높인 포플러나무를 이용했다. 이 재료를 표면적이 넓은 다공성 카본으로 변환하고 이를 전극으로 만들어 슈퍼커패시터를 제작했다.

연구팀이 만든 슈퍼커패시터는 야생 포플러나무나 상용 슈퍼커패시터를 이용했을 때와 비교해 확연히 향상된 에너지 저장 능력을 가졌다. 연구팀이 만든 슈퍼커패시터는 야생 포플러나무로 만든 슈퍼커패시터보다 80% 이상 향상된 정전 용량을 보였다. 또한 야생 포플러나무나 형질 전환 포플러나무 모두 1만 사이클(1사이클: 충전과 방전 1회) 동안 안정적으로 에너지 저장 능력을 유지해, 에너지 저장 소재로의 활용이 가능함도 확인했다.

장현지 학생은 “바이오매스의 화학성분 변화가 에너지 저장 특성에 미치는 영향에 이해를 높였고, 앞으로 식물생명공학기술을 이용하여 이상적인 화학 성분을 가진 바이오매스를 디자인할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

박연후 학생은 “연구 수행 중 새로운 아이디어가 많이 떠올랐다. 이를 발전시켜서 흥미롭고 인류에 도움이 될 연구를 수행해 나갈 것”이라고 설명했다.

이정태 교수는 “세계 최초의 성과를 학부생이 이룬 점에 두 학생과 연구팀을 칭찬하고 싶다”며 “코로나19로 강의실에서 학생을 만나는 기회는 줄어들었지만, 학생들의 새로운 아이디어를 함께 발전시켜 탁월한 연구를 계속하게 돕겠다”고 말했다.

관련 연구 결과는 ‘Surface characteristics of porous carbon derived from genetically designed transgenic hybrid poplar for electric double-layer capacitors’라는 논문으로 SCI 국제학술지인 '어플라이드 서피스 사이언스' 온라인판에 이달 9일 게재됐다.

ZDNetKorea 김민선 기자  yoyoma@zdnet.co.kr

이정태 생명공학원 교수, MIT 요엘 핑크 교수 공동 연구팀 연구
연구 논문 <어드밴스드 머티리얼즈> 온라인판에 11월 4일 게재
2·3차원으로 쉽게 바꿀 수 있는 소자, 3D프린터로 안경 형태 슈퍼캐패시터 제작

우리 일상에서 이동형 전자기기 사용이 보편화하며 배터리 수명이 중요해졌다. 카페에서도 충전 중인 전자기기를 쉽게 볼 수 있다. 결국 배터리가 우리 생활의 큰 부분을 차지한 셈이다. 기술 발전으로 배터리 크기가 줄어들고 있지만, 배터리 용량은 항상 부족하게 느껴진다. 그렇다면 옷에 에너지를 저장하고 필요할 때 사용하면 어떨까? 생명공학원 이정태 교수 연구팀의 연구는 여기서 시작했다.

다중물질 열 인발공정 활용, 새로운 형태의 이동형 기기에 응용 가능

이정태 교수와 요엘 핑크(Yoel Fink) 미국 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology, MIT) 교수 공동 연구팀이 ‘다중물질 열 인발공정’을 이용해 100m 길이의 슈퍼캐패시터(Supercapacitor) 섬유 생산에 성공했다. 또 이를 이용해 직물 제조 기기를 통해 2차원 직물을 생산하고 더 나아가 3D 프린터를 활용해 3차원 에너지 저장 장치를 구현했다. 이 기술은 기존에는 상상할 수 없었던 폼 팩터(Form Factor)의 차세대 에너지 저장 장치를 이용한 새로운 형태의 이동형 기기에 다양하게 이용할 수 있다. 연구 성과는 ‘100m long thermally drawn supercapacitor fibers with applications to 3D printing and textiles’라는 논문으로 세계적 학술지인 <어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF 27.398)>의 온라인판에 11월 4일 자로 게재됐다.

슈퍼캐패시터는 에너지 저장 용량이 대단히 큰 캐패시터이다. 우리말로는 초고용량 축전지라고 부르는데, 급속 충전이 가능하고 수명이 반영구적인 것으로 알려져 있다. 최근에는 휴대폰이나 카메라 같은 전자기기의 백업용 전원 및 고출력 보조전원으로 활용되고 있다. 웨어러블 디바이스(Wearable Device) 연구가 활발해지며 그 전원으로의 역할도 주목받는 실정이다.

의복에 에너지를 저장한다는 시도는 갑작스러운 개념이 아니다. 많은 연구자가 섬유 에너지 저장 소자에 관해 연구하고 있다. 이정태 교수는 “기존의 섬유 에너지 소자는 섬유 전극을 만들어 전해질을 코팅한 뒤, 전해질이 코팅된 두 개의 전극을 결합해서 일체화한 소자를 포장해 제조했는데, 절차가 복잡하고 직경이 작은 섬유에 여러 단계의 공정을 거쳐 시간과 비용이 많이 들었다”라며 “무엇보다 길이가 늘어나며 전자와 이온의 이동에 제한이 생겨 성능이 급격히 떨어진다. 이런 이유로 지금까지 보고된 가장 긴 에너지 저장 섬유는 1m 정도밖에 되지 않았다”라고 기존 소자의 문제점을 지적했다.

이정태 교수 연구팀은 ‘다중물질 열 인발공정(Multimaterial Thermal Drawing Process)’을 사용했다. ‘인발공정(Drawing)’은 길이가 긴 소재를 열과 함께 잡아당겨 소재의 단면적을 감소시키는 공정이다. 연구팀은 디바이스에 필요한 모든 물질을 특정 구조로 섬유의 직경보다 수십 배 큰 프리폼(Preform)에 배열하고 열을 주어 변형했다. 프리폼 내의 구조와 소재가 그대로 유지된 상태에서 종횡비(Aspect Ratio)만 바뀌어 섬유 소자가 돼, 섬유 디바이스를 제조하기에 적합하다. 일반적으로 슈퍼캐패시터에 사용하는 소재들은 고온에서 열화(Degradation)돼 흐르지 않고 고체 상태로 남아, 다중물질 열 인발공정에는 적합하지 않다.

이정태 교수 연구팀이 개발한 2차원과 3차원 에너지 저장 소자 제작 개념도. 다중물질 열 인발공정을 이용해 제작된 섬유캐패시터를 직물제조기를 통해 다양한 형태로 제작한 모습이다. 연구팀은 3D 프린터를 활용해 이 직물을 안경 형태의 슈퍼캐패시터로 제작했다.

10cm의 소재로 성능저하 없이 100m까지 늘일 수 있어

문제 해결을 위해 열에 의해 유동성을 띠지만, 상온에서는 유동성을 띠지 않는 열가역성 젤(Thermally Reversible Gel) 전극과 전해질을 개발했다. 산소와 수분을 잘 투과하지 않는 고분자 피복재, 고분자 금속 복합 집전체, 열가역성 전극 젤, 그리고 전해질 젤을 특정 구조로 배열해 프리폼을 완성했다. 전극 젤은 파티클, 염, 용매 등 다양한 소재를 혼합한 상태로 열을 가하면 물질의 크기가 줄어들어 섬유 형태로 변한다. 10cm의 프리폼은 수백 미터의 섬유로 변할 수 있다. 이때 섬유 길이도 인발 속도를 조절해 자유자재로 바꿀 수 있다. 연구팀이 개발한 슈퍼캐패시터 섬유는 100m 길이에서도 원래의 성능을 유지했다.

연구팀이 만든 고성능의 길이가 긴 슈퍼캐패시터 섬유는 직물 제조기를 통해 섬유 LED를 포함한 섬유 전자기기와 함께 대형 스마트 직물로 만들 수 있다. 또 3D 프린터를 통해 3차원 형태인 에너지 저장 안경으로도 만들 수 있다.

이번 연구의 성과는 세계 최초로 다중물질 열 인발공정이라는 새로운 방식을 활용해 성능저하 없이 100m의 섬유 슈퍼캐패시터를 개발한 점에 있다. 기존의 방법으로는 섬유 전극을 제조하고 이 전극을 조립해 길게 제작하기도 어렵고, 성능도 좋지 않았다. 이 섬유 슈퍼캐패시터는 2차원과 3차원 에너지 저장 디바이스로 손쉽게 변환할 수 있는 단위소자이다. 제작자가 원하는 길이나 형태로 자유자재로 에너지 저장 소자를 제조할 수 있어 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

이정태 교수는 “향후에도 MIT와 지속적인 공동연구를 통해 차세대 전극 소재를 도입한 섬유 에너지 저장 소자를 연구해 나갈 계획이다”라며 “경희대 학생들과 함께 새로운 아이디어를 발전시켜 과학기술 발전에 기여할 수 있는 연구를 계속 수행하고 싶다”라고 말했다.

글 정민재 ddubi17@khu.ac.kr

우리가 사용하는 휴대기기를 선택할 때 고려하는 요소 중 하나는 사용 가능 시간이다. 휴대기기의 사용 가능 시간을 결정하는 요소는 ‘배터리’이다. 또 테슬라의 약진으로 전기 자동차의 사용이 늘어나면서 배터리의 중요성은 더욱 증가하고 있다.

경희대학교 식물환경신소재공학과 이정태 교수(사진)와 미국 케임브리지대학 Michael De-Volder 교수 공동 연구팀이 기존의 리튬이온 배터리보다 면적당 용량이 4~5배 높고 생산 비용도 획기적으로 줄일 수 있는 배터리 전극을 개발했다. 이 배터리 전극을 차세대 휴대기기나 전기 자동차에 사용하면 배터리가 차지하는 공간과 무게를 줄일 수 있다. 또 제작 비용의 절감으로 구매 비용을 낮출 수 있다.

이정태 교수 연구팀은 연구 결과를 ’Bi-Continuous Phase Separation of Lithium Ion Battery Electrodes for Ultra-high Areal Loading‘라는 논문으로 세계적 학술지인 〈미국국립과학원회보(PNAS)〉의 온라인판에 현지시간으로 8월 19일 게재했다.

배터리 성능에 주요한 전극 두께 늘려 성능 향상

배터리는 양극 물질로 코팅된 알루미늄 집전체와 음극 물질로 코팅된 구리 집전체 사이에 다공성 분리막을 배치한 뒤, 리튬 이온을 포함하는 전해질을 넣어 만든다. 이 사이에서 전기화학 반응이 발생해 에너지를 저장할 수 있다. 이때 구리, 알루미늄, 분리막은 배터리 구동에 굉장히 중요한 역할을 하지만, 직접 에너지를 저장하진 않는다. 이 부품의 사용을 줄이면 배터리의 부피가 줄어든다. 이를 통해 배터리의 무게, 부피, 가격을 줄일 수 있다.

가장 쉬운 전략은 전기화학 반응을 하는 활물질 코팅 두께를 늘리는 방법이다. 하지만 활물질이 두껍게 코팅된 후막 전극은 건조 중 쉽게 금이 가거나 알루미늄·구리 집전체에서 떨어져나가는 현상이 있어서 제조가 쉽지 않다. 또 두꺼운 전극에서의 전자와 이온의 이동이 어려워 전기화학 특성이 크게 감소하는 단점이 있다.

이정태 교수 연구팀은 두꺼운 활물질 코팅의 단점 극복을 위해 액체전해질과 바인더의 ‘열유도상분리’를 응용해 3차원적으로 서로 연결된 기공구조를 가진 두꺼운 전극을 개발했다. 고온에서 고분자 바인더, 활성물질, 카본블랙, 액체전해질을 교반하고 상온에서 원하는 두께의 전극으로 자유롭게 성형할 수 있다.

연구팀은 세계에서 가장 두꺼운 3㎜ 두께의 배터리 전극을 포함한 다양한 두께의 전극의 전기화학적 특성을 살펴봤다. 일반적으로 사용되는 전지의 전극 두께는 50㎛(㎛=100만분의 1m) 수준이다. 대부분의 연구에서는 두꺼운 전극에 기공 구조를 도입하기 위해 복잡하고 비용이 높은 다양한 템플레이팅 기법을 이용한다. 이러한 방법은 두꺼운 전극에서 전자와 이온의 이동현상을 이해하는 데는 도움이 됐지만, 상용화를 할 수 없어 연구용으로만 사용됐다.

효율적이고 두꺼우면서도 제조 비용 줄일 수 있어

연구팀이 개발한 전극은 효율적이고 두꺼우면서도 3차원 기공 구조가 있다. 또 제조 속도가 빠른 롤투롤(Roll-to-roll) 공정을 이용할 수 있어 연속적으로 전극을 제조할 수도 있다. 기존 배터리 제조 공정에 새로운 전극을 바로 활용할 수 있는 것이다. 이번 연구에서 개발한 2㎜ 전극을 사용하면 기존 배터리보다 75~80% 작은 양의 집전체와 분리막이 필요하다. 배터리의 소재 중 두 번째로 비싼 분리막과 다섯 번째로 비싼 구리의 사용량을 줄여 제조 비용도 획기적으로 줄일 수 있다.

또 기존 배터리 전극은 바인더를 녹이는 용매에 파티클을 섞어 코팅한 후 용매를 증발시키는 방식으로 제작된다. 새로운 전극은 추가 용매 사용 없이 전해질을 바로 사용해 따로 제거할 필요가 없어 공정의 속도 역시 빨라질 수 있다. 이 전극은 두껍고 유연해 향후에는 유연배터리에도 응용 가능할 것으로 보인다.

이정태 교수는 “이 전극을 처음 개발했을 때, 형상 및 기계적 특성이 기존 전극과 다르면서 전기화학적 특성이 뛰어나 매우 흥분했었다”라며 “전극을 두껍게 만드는 것 자체가 어려웠는데, 두께 조절도 자유자재로 가능하고, 유연하기도해서 다양한 응용이 가능할 것이라고 기대했다”라고 말했다. 연구팀은 전극을 만든 이후 다양한 저널에 연구 결과를 전달해 8번의 피어리뷰를 통해 의견을 받았다. 이러한 과정을 통해 추후 연구의 진행 방향을 결정할 수 있는 좋은 조언도 얻었다.

이정태 교수는 “앞으로도 케임브리지대학과의 공동연구를 계속해 새로운 형태의 차세대 전극에 관해 연구할 것이다”라며 “연구와 함께 학생들과 새로운 아이디어를 발굴하고 발전시켜, 많은 사람에게 도움이 되고 인류 발전에 기여할 수 있는 연구를 수행하고 싶다”는 포부를 밝혔다.

온라인 중앙일보