‘ACS Applied Energy Materials’, ‘ACS Applied Nano Materials’ 표지논문 선정

“차세대 이차전지 소재 및 전극 제조 기술 개발 기대”

공과대학 신소재공학과 이종현 교수 연구팀이 국제 저명 학회인 미국 화학회(ACS, American Chemical Society)의 학술지에 연이어 2건의 연구 성과를 표지논문으로 게재하며, 신소재 분야 연구 우수성을 증명했다.

이 교수 연구팀은 두 차례 연구에서 전기차 배터리 충전속도 개선을 위한 실리콘-은나노와이어 이차전지 음극 구조를 개발하고, 실리콘 전극의 성능, 수명, 고속 충전 특성 개선에 대한 매커니즘을 규명했다. 또, 청정 수소 생산을 위한 고효율, 고성능 수소 발생 촉매를 개발해 반응 메커니즘을 규명하고, 수소발생 전기화학 셀을 이용해 청정 수소생산을 구현하는 데 성공했다.

그 결과 ▲실리콘-은나노와이어 이차전지 음극 소재 연구 성과는 ‘ACS Applied Energy Materials’(IF: 6.959)에 11월 27일 표지논문으로 ▲고효율 수소발생 촉매 연구 성과는 ‘ACS Applied Nano Materials’(IF: 6.14)에 11월 24일 표지논문으로 게재됐다. 이번 연구는 신소재공학과 정경진 박사급연구원이 제1저자, 이종현 교수가 교신 저자로 참여했다.

※ 논문 제목

▲ACS Applied Energy Materials 게재 논문 : Tailored Silver Nanowires for Amplified Lithium-Ion Battery Performance and Inhibition of Lithium Dendrites in Silicon–Graphite–Silver Nanowire Composite Electrodes

▲ACS Applied Nano Materials 게재 논문 : MO2C/C Nanocomposites Prepared by a Solid-Flame Combustion Synthesis Process for the Hydrogen Evolution Reaction

파리 기후 협약 이후 강화되는 온실 가스 배출 규제에 따라 완성차 업계에서는 연간 이산화탄소 미 발생 친환경차를 의무 판매 및 강화된 이산화탄소 배출 규제를 만족시켜야 하는 가운데 친환경 차량으로 전기차가 주목 받고 있다. 하지만 전기차의 엔진에 해당하는 배터리는 짧은 주행거리, 긴 충전 시간 등 다양한 한계점이 있어 전기차 대중화의 발목을 잡고 있다.

이에 이종현 교수 연구팀은 실리콘-은나노와이어 이차전지 음극 소재 연구를 통해 기존 학계와 산업계의 연구보다 진보된 이차전지의 전극 구조를 제안했다. 

연구팀은 차세대 음극소재로 알려져 있는 실리콘 소재를 사용하고, 리튬 이온 전도도와 전자 전도도를 향상시킬 수 있는 은 나노와이어를 추가적으로 설계, 제작함으로써 3차원의 리튬 이온전도와 전자전도를 구현했다. 또, 전기차 고속충전에 있어 필수인 실리콘 음극의 문제점인 짧은 수명을 개선해 고용량 및 고속충전을 가능하게 함으로써 고함량 전극 상용화 가능성을 제시했다.

연구팀은 기존 실리콘 전극과 비교해 최대 20%의 성능 개선은 물론, 100회 충·방전 기준 수명평가에서 성능 저감이 4% 이하인 실리콘 전극 구조와 개선 매커니즘을 제시했고, 충·방전 중 발생하는 리튬 불균일 이동(리튬 덴드라이트)에 대한 억제 효과도 관측해 보고했다.

이와 함께, 전 세계 자원 고갈과 기후 변화 문제에 따른 대안 에너지로서 미래 친환경 에너지인 수소가 급부상하고 있는 가운데 현재 연구자들은 수소에너지를 발전용, 가정용, 자동차용 등 다양한 분야에서 에너지원으로 사용할 수 있도록 고성능·고내구성·저가격화를 위한 연구를 진행하고 있다. 특히, 수소 발생 효율을 높이기 위해 사용 중인 기존 백금 기반의 촉매를 대체할 수 있는 기술 개발에 몰두하고 있다.

이에 이종현 교수 연구팀은 기존 문헌에서 보고된 단 결정 수소 발생 촉매와 비교해 효율이 약 40% 개선된 ‘특정 결정면 성장 몰리브데늄 카바이드(MoC) 기반 촉매’를 개발해 자체 촉매 합성 및 수소 발생 성능 평가를 수행했고, 이를 통해 비 백극 기반 전이금속 촉매의 상용화 가능성을 제시했다. 

또, 연구팀은 전이금속 기반의 촉매에서 특정 결정면이 수소 발생 반응에서 우세한 반응을 나타낸다는 것을 확인하고 촉매의 결정면을 제어, 성장하는 촉매 합성법을 개발했다. 아울러 촉매층과 전자전도가 발생하는 탄소층과의 수소흡착/탈착 반응의 주요 인자를 밀도범함수 이론 기반의 양자역학 모델링 기법에 적용함으로써 반응 메커니즘 또한 규명했다.

이종현 교수는 “이번 2개의 연구는 탄소 중립을 앞당기기 위한 수소경제 사회의 기반 기술을 마련할 수 있는 의미 있는 연구로써 차세대 실리콘 소재 기반 이차전지의 성능, 수명을 높이는 방안과 저비용, 고성능, 고효율의 수소발생 촉매를 개발했다는 데 그 의미가 있는 연구”라며, “이번 연구성과를 바탕으로 대한민국이 수소경제시대 핵심소재라 할 수 있는 촉매 기술 선진국으로 나아가고, 전기차 시장에 있어 기술적 우위성을 유지할 수 있도록 새로운 차세대 이차전지 소재 및 전극 제조 기술을 개발하는 데 앞장서겠다”고 말했다.

한편, 이 교수 연구팀은 논문 게재 이전에 이번 연구 성과 및 기술의 특허 출원을 신청했으며, 현재 3건의 특허출원이 진행 중이다.