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윤영수 교수 연구팀, 차세대 고성능 알루미늄 금속 이차전지 음극용 다기능성 맥신 전극 소재 개발
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｜2023.08.03
▲ (왼쪽부터) KU-KIST융합대학원 허영훈 석박사 통합과정, 윤영수 융합에너지공학과 교수
고려대학교 공과대학(학장 이해근) 융합에너지공학과(겸 KU-KIST융합대학원) 윤영수 교수 연구팀이 기존 알루미늄 금속 음극보다 최대 10배 이상 증가한 출력특성과 6배 오랜 기간 사용 가능한 고에너지밀도 알루미늄 이차전지 음극용 다공성 맥신(MXene) 신소재 박막 전극을 개발했다.
소형 휴대용 전자기기부터 대형 전기자동차에 이르기까지 에너지 저장 장치는 현대 사회에서는 없어서 안 될 필수품으로 자리 잡았다. 그러나 현재 상용화된 리튬 이온 전지의 편중된 리튬 매장량, 충분하지 않은 에너지밀도, 그리고 폭발 등과 같은 안전성 문제로 인해 새로운 차세대 이차전지 시스템 개발의 필요성이 대두되고 있다. 풍부한 매장량과 높은 이론 용량(2,980 mA h g-1, 8,046 mA h cm-3)을 가진 알루미늄 금속 음극에 기초한 알루미늄 이차전지는 현재의 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 가장 유망한 차세대 이차전지 시스템으로 주목받고 있다.
그러나 알루미늄 음극 표면에 자발적으로 형성되는 산화 피막은 느린 반응 속도를 야기해 전기화학 성능을 저해하는 문제점을 지니고 있다. 이를 해결하기 위해 전형적인 유기 전해질 대신 산화 피막을 깎아낼 수 있는 이온성 액체 전해질을 사용하고 있으나, 이는 독특한 음이온 기반의 산화환원 메커니즘으로 인한 큰 과전압과 부식이라는 새로운 문제점을 야기하며 이를 해결하기 위한 연구가 필요하다. 이에 부식을 억제하면서 더 넓은 활성 표면적을 제공할 수 있는 입체적 형상의 전극을 설계하는 것을 중심으로 집중적인 연구가 진행되고 있다.
소형 휴대용 전자기기부터 대형 전기자동차에 이르기까지 에너지 저장 장치는 현대 사회에서는 없어서 안 될 필수품으로 자리 잡았다. 그러나 현재 상용화된 리튬 이온 전지의 편중된 리튬 매장량, 충분하지 않은 에너지밀도, 그리고 폭발 등과 같은 안전성 문제로 인해 새로운 차세대 이차전지 시스템 개발의 필요성이 대두되고 있다. 풍부한 매장량과 높은 이론 용량(2,980 mA h g-1, 8,046 mA h cm-3)을 가진 알루미늄 금속 음극에 기초한 알루미늄 이차전지는 현재의 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 가장 유망한 차세대 이차전지 시스템으로 주목받고 있다.
그러나 알루미늄 음극 표면에 자발적으로 형성되는 산화 피막은 느린 반응 속도를 야기해 전기화학 성능을 저해하는 문제점을 지니고 있다. 이를 해결하기 위해 전형적인 유기 전해질 대신 산화 피막을 깎아낼 수 있는 이온성 액체 전해질을 사용하고 있으나, 이는 독특한 음이온 기반의 산화환원 메커니즘으로 인한 큰 과전압과 부식이라는 새로운 문제점을 야기하며 이를 해결하기 위한 연구가 필요하다. 이에 부식을 억제하면서 더 넓은 활성 표면적을 제공할 수 있는 입체적 형상의 전극을 설계하는 것을 중심으로 집중적인 연구가 진행되고 있다.
▲ 알루미늄 친화성 맥신 전극의 구조와 알루미늄 전기화학 거동의 안전성과 수명특성을 나타내는 이미지
윤 교수 연구팀의 허영훈 학생은 부식을 억제할 수 있는 알루미늄 친화성 전극을 설계하기 위해 몰입했으며, 이를 통해 물리적·화학적 안정성을 가진 맥신 전극이 이온성 액체 전해질 내에서 부식되지 않고 작동하는 현상을 관찰했다. 알루미늄 음극 소재의 전기화학 성능을 극대화하기 위하여 맥신 전극을 3차원 구조체로 디자인해 연구를 진행했고, 이를 통해 다양한 작용기를 가진 3차원 맥신 전극이 알루미늄-금속 생성과 성장 메커니즘을 개선하는 핵심적 역할을 수행할 수 있음을 확인했다.
한편, 이번 연구는 KU-KIST 융합대학원의 허영훈 석박사 통합과정 학생이 주도적으로 실험을 진행했으며, 한국과학기술연구원 물질구조분석센터의 김선준 박사 연구팀의 도움을 받아 진행됐다. 허영훈 학생의 이번 연구는 Journal of Materials Chemistry A (IF: 11.9)에 “3D-structured bifunctional MXene paper electrodes for protection and activation of AI metal anodes”라는 제목으로 6월 1일 온라인 게재됐다. /공과대학신문
한편, 이번 연구는 KU-KIST 융합대학원의 허영훈 석박사 통합과정 학생이 주도적으로 실험을 진행했으며, 한국과학기술연구원 물질구조분석센터의 김선준 박사 연구팀의 도움을 받아 진행됐다. 허영훈 학생의 이번 연구는 Journal of Materials Chemistry A (IF: 11.9)에 “3D-structured bifunctional MXene paper electrodes for protection and activation of AI metal anodes”라는 제목으로 6월 1일 온라인 게재됐다. /공과대학신문
