R&D 이슈 연구동향…포스트 리튬 유기물 이차전지
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R&D 이슈 연구동향…포스트 리튬 유기물 이차전지
  • 이현건 기자
  • 승인 2021.11.19 05:20
  • 댓글 0
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[NRF R&D BRIEF 2021-18호] 기초연구본부 선정 R&D 이슈 연구동향(5)

 

리튬이차전지와 같이 기존에 존재하는 양극용 에너지 저장소재는 80% 이상이 코발트 등을 원료로 하는 전이금속 산화물이다. 이러한 코발트와 같은 전이금속은 전 세계적으로 특정지역에 집중적으로 매장되어 있으며 자원부국들에 의해 전략무기화 되고 있다. 또한, 기존 에너지 저장소재에서는 리튬이온이 확산해서 구조 내로 출입할 수 있는 open-framework 구조를 가진 물질만이 전극으로서 사용이 가능하기 때문에 리튬이온이 빠져 나갈 때 구조가 불안정해지는 물질은 이론 용량까지 사용할 수 없다는 삽입/탈리 메커니즘의 한계가 존재하게 된다.

양극용 에너지 저장소재로 기존에 사용되는 전이금속(ex. LiCoO2)의 경우에는 산화/환원 반응의 중심이 되는 전극의 주재료임에도 불구하고 전이금속의 무게가 상대적으로 무거워 단위 무게 당 에너지 밀도를 올리는 데에는 한계가 존재한다. 이외에도 전이금속에 독성이 존재한다는 점과 화합물 합성공정 시에 발생하는 CO2 등은 환경에 악영향을 줄 수 있다는 한계도 있다.

이를 대체할 시스템으로 유기 이차전지 시스템이 각광받고 있다. 이는 유기물로 전극과 전해질이 구성되어 있어 원료 수급에 제한이 없으며 친환경적이라는 장점을 갖고 있다. 그뿐만 아니라 가벼운 무게와 빠른 고속 충전율, 우수한 가변성, 높은 에너지 밀도는 물론 재활용이나 폐기가 용이하다는 특성도 지니고 있어 많은 연구자들은 이에 관한 연구를 펼쳐오고 있다.

이에 한국연구재단 기초연구본부는 유기물 소재를 전극물질로 활용하는 친환경 이차전지인 리튜 유기물 이차전지에 대한 연구동향 브리프를 발간했다(NRF R&D BRIEF 2021-18호/공학단).

 

■ 왜 주목받고 있나?

☞ 전기자동차 및 ESS 시장의 성장이 기하급수적으로 증가하고 있고 2030년에는 3TWh가 넘는 전지시장이 형성될 것으로 예상됨.

☞ 기존 에너지 저장 소재로 사용하고 있는 코발트 기반의 산화물들은 생산/폐기 과정 중에 상당량의 온실화 가스를 배출함.

☞ 전 세계적으로 지구 온난화의 가속화를 막기 위한 노력을 쏟고 있으므로, 친환경적인 에너지 소재에 대한 관심 역시 증가하고 있음.

☞ 온실가스 배출량을 완화하여 지구 온난화의 가속화를 막 는 환경적인 측면 을 고려하면 서, 급증하는 에너지 수요를 만 족시키기 위해 최근 유기물, 황과 같은 소재를 활용하는 전지 시스템이 각광받고 있음.

 

■ 최근 국내․외 연구 동향은?

ㅇ 한국: ‘충전 빠르고 수명 긴’ 리튬전지용 유기반도체 음극재 개발(연합뉴스, 2019.07.09.)

▪ 한국과학기술연구원(KIST) 연구진은 울산과학기술원(UNIST)팀과 함께 유기반도체 물질로
새로운 구조의 소재를 합성, 우수한 특성의 리 튬 이차전지용 음극재를 제작
- 현재 리튬 이차전지의 음극재로는 흔히 흑연을 쓰는데, 흑연은 전지의 충전·방전 속도를 떨어뜨리고 수명이 짧은 단점이 있음. 이를 보완하기 위해 여러 연구진이 금속산화물이나 유기물 기반의 음극재를 개발하고 있지만 , 이들 소재도 전기가 잘 통하지 않아 전도도를 높이기 위해 다른 물질을 첨가해야 하는 등 여전히 많은 문제점이 있음.
- 탄소 원자들이 공모양 구조를 이룬 유기물 반도체인 '풀러렌'(fullerene)과 글러브 모양의 ‘헥사벤조코로넨’(hexabenzocoronene)이라는 물질을 결합해 음극재로 사용할 수 있는 공결정체(cocrystal)를 제작하여 다른 소재를 섞지 않고도 뛰어난 전기전도도를 보이는 음극재 개발
▪ Advanced Functional Materials 저널 논문 게재(2019.06.11.)

ㅇ 한국: KAIST, 리튬-유기 하이브리드 전지 개발 (투데이에너지, 2021.05.20.)

▪ 한국과학기술원(KAIST)은 변○○, 김○○ 화학과 교수 공동연구팀이 유기 분자로 이루어진 다공성 골격구조체를 이용해 높은 사이클 성능을 가지는 리튬-유기 하이브리드 전지를 개발
▪ 두 개의 질소 원소가 이중 결합을 가지는 아조(azo, N=N) 그룹을 레독스(산화, 환원) 코어로 가지면 서 벤조싸이아졸 링커로 분자들을 엮은 거대한 다공성 구조체를 설계함. 유기 단분자가 공유 결합으로 2차원 필름 을 형성하고, 이들이 다시 파이-파이 결합으로 3차원 성장하는 다공성 결정체임.
▪ 이 골격구조가 분자 간 상호작용과 안정성을 높이고 화학적 안정성, 불용성, 그리고 전기, 이온 전도성을 향상할 수 있음을 증명 함.
▪ Advanced Energy Materials 저널 논문 게재(2021.05.06.)

ㅇ 한국: KAIST, 리튬-황 전지 성능 높일 다공성 2차원 무기질 나노소재 개발(인더스트리 뉴스, 2021.09.26.)

▪ 한국과학기술원(KAIST) 생명 화학공학과 이○○ 교수팀이 서로 다른 크기의 기공을 동시에 가지고 있는 다공성 2차원 무기질 나노코인을 합성하는 새로운 기술을 개발
▪ 다공성 무기질 소재를 동전처럼 둥글고 납작한 형상으로 제어할 수 있고, 크기 및 두께 등의 물성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원천 기술을 개발함.
▪ 이는 리 튬-황 이차전지의 분리 막 에 사용돼 리튬-황 전지의 성능 저하 원인으로 꼽히는 리튬 폴리 설파이드의 용출을 효과적으로 억제해 성능을 높일 수 있었음.
▪ Journal of the American Chemical Society 저널 논문 게재

ㅇ 한국: 청주대 김○○ 교수 차세대 이차전지 시스템 개발(국제뉴스, 2016.04.25.)

▪ 유기 이차전지는 원료수급에 제한이 없고 친환경적이지만 높은 자가-방전이나 전지의 단락을 일으킬 수 있는 단점을 지니고 있음. 김재광 교수 등은 이런 차세대 이차전지시스템인 유기 이차전지의 단점을 탄소나노튜브를 사용해 해결할 수 있는 새로운 기술을 개발함.
▪ 나트륨용 유기 이차전지 전극으로 개발된 이 물질은 탄소나노 튜브안에 채워진 poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy-4-vinylmethacrylate) 유기 전극물질이 빠르게 전기화학적 산화-환원 반응을 일으키면서 전지를 구동시켜 지금까지 지적됐던 여러 문제점을 해결함.
▪ Energy & Environmental Science 저널 논문 게재(2015.11.10.)

 

■ 기초연구사업 지원 현황은?

ㅇ 지원과제 현황

ㅇ 성과현황

 

■ 향후 기초연구사업에서 어떤 연구들이 필요한가?

 


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