카이스트, 대칭 이온성 액체로 배터리 수명 높여
기존 기술 대비 성능 3배 이상...실험 통해 입증
고려대, 셀레늄 양극 구조와 핵 형성·패턴 분석
연구팀 "차세대 전지 안정성에 기여할 수 있어"
최근 국내 대학들이 미래 핵심 기술인 배터리 개발에 매진하고 있다. 카이스트(총장 이광형)는 배터리 수명을 늘린 연구 성과를 발표했다. 고려대(총장 정진택)는 셀레늄 양극의 실시간 구조 변화를 파악해 셀레늄 핵 형성·성장 패턴을 알아냈다. 이를 통해 전기자동차, 드론에 쓰는 배터리 수명을 늘릴 수 있다. 다양한 칼코겐 기반 양극재 설계에서 핵 형성에 필요한 조건을 고려하는 새로운 연구 방향도 설정할 수 있을 전망이다.
카이스트, 배터리 수명 늘리는 소재 찾아
카이스트는 새로운 대칭 이온성 액체 첨가제로 수명이 보통 배터리보다 긴 리튬 금속 배터리를 개발했다고 21일 밝혔다. 강지형 교수 연구팀이 반리튬성 보호층을 형성하는 분자 구조가 대칭성을 띠는 이온성 액체 첨가제를 개발했다. 이는 리튬 금속 배터리 안정성을 크게 높였다.
연구진은 실험을 통해 성능을 입증했다. 우선 대칭성 이온성 액체 첨가제를 니켈·고발트·망간 배터리에 사용했다. 600 사이클 동안 쿨롱 효율 99.8%와 초기 용량의 80%를 유지할 수 있었다. 희박 전해액, 초박막 리튬(두께 40μm) 과 같은 조건에서도 250 사이클 동안 전극의 용량이 80% 이상 유지되는 높은 안정성까지 보였다. 이는 성능이 기존 기술 대비 3배 향상된 결과다.
그동안 배터리 제조에 사용한 이온성 액체는 비대칭적인 분자 구조를 가졌다. 높은 양친매성(amphiphilic)을 보여서 자가 응집되는 현상이 일어난다. 양친매성은 극성인 물과 비극성인 기름 모두에 친화적인 성질이다. 이는 상대적으로 이온성 액체가 부족한 부분이 발생해 불완전한 보호층을 만든다.
강지형 교수는 “장수명 리튬 금속 배터리 구현을 위한 전해질 설계 방향을 새롭게 제시한 데 의미가 있다”며 “급속도로 성장하는 배터리 소재 시장에 기여할 것으로 본다”고 말했다.
연구 결과는 에너지 재료 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)'에 이달 10일 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 과학기술정보통신부 리더연구자 지원사업, 나노소재기술개발사업, 2020 과학기술연구원 공동연구사업 지원으로 수행됐다.
고려대, 셀레늄 양극 구조 변화와 핵 형성·성장 패턴 알아내
고려대 유승호 교수 연구팀은 셀레늄 양극의 실시간 구조 변화를 분석하고 셀레늄 핵 형성·성장 패턴을 분석한 결과를 21일 내놨다. 이를 통해 전해질에 녹는 다양한 칼코겐 기반 양극재 설계에서 핵이 형성되는데 필요한 조건을 고려하는 새로운 방향성을 제시할 수 있다고 밝혔다. 코넬대학교(Cornell University) 헥터 아부르냐 교수 연구팀과 공동연구 끝에 이룬 성과다.
유승호 교수팀은 전극 구동과 특성 분석이 이뤄지는 오페란도(Operando) 조건에서 방사광 엑스선(X-ray) 이미징 분석을 활용했다. 셀레늄 양극의 충전·방전 과정에서 일어나는 실제 반응을 직접 관찰했다.
위상 대비(phase contrast)가 향상된 투과 엑스선 현미경과 엑스선 흡수 분광법을 통해 얻은 '엑스선 흡수끝머리 부근 미세구조(XANES, X-ray absorption near-edge structure)' 이미징 기법으로 얻은 화학종 상태 분포도 분석을 수행했다. 이를 통해 충전·방전 시 액상의 폴리셀레나이드에서 전착되는 셀레늄과 리튬 셀레나이드를 핵 형성(Nucleation)에서 성장(Growth)에 이르기까지 실시간 모니터링했다.
개별적인 핵 형성 반응을 추적한 결과 기존 핵 성장과 추가적인 핵 형성 사이에 놓인 폴리셀레나이드의 농도에 따른 경쟁관계를 발견했다. 핵 형성 우선조건(Nucleation-favored condition)을 유도함으로써 셀레늄 활물질의 높은 가역성까지 끌어냈다.
고려대 유승호 교수는 “이번 연구에서 본 셀레늄 양극의 반응 메커니즘과 제시된 핵 형성 우선의 전지 구동조건은 다양한 칼코겐 원소를 기반으로 하는 차세대 전지 성능과 안정성을 높이는데 기여할 전망이다”고 말했다.
이번 연구성과는 국제 학술지 '에너지 & 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)'에 이달 15일 게재됐다. 해당 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구자 지원사업 및 4단계 BK21 사업의 지원으로 수행됐다.
AI타임스 김미정 기자 kimj7521@aitimes.com
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카이스트·고려대, 배터리 수명 늘리고 안정성 높이는 연구 발표 - AI타임스
최근 국내 대학들이 미래 핵심 기술인 배터리 개발에 매진하고 있다. 카이스트(총장 이광형)는 배터리 수명을 늘린 연구 성과를 발표했다. 고려대(총장 정진택)는 셀레늄 양극의 실시간 구조 변
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