EED Lab은 이차전지, 연료전지, 수전해 디바이스 기술의 혁신을 이루어 냅니다. 리튬이온전지와 고분자전해질 연료전지를 필두로 배터리와 수소연료전지는 미래 거대산업으로 성장하고 있습니다. 기후변화대응을 위한 신재생에너지의 활용과 청정 에너지변환장치의 필요성이 증가하면서, 고성능 장수명 고안정성의 배터리와 연료전지가 요구되고 있으며, 수전해를 이용한 그린수소생산의 중요성이 부각되고 있습니다. 저희는 전기화학공학을 기반으로 소재공학, 전산과학, 고도분석기술,나노구조제조기술을 결합하여, 기존 에너지저장/변환장치의 문제점을 발굴하고, 이를 해결하기 위한 소재/부품/디바이스 기술을 개발하고 있습니다. EED Lab이 개발하고 있는 배터리와 연료전지는 다음과 같습니다. - 차세대 리튬전지 : 리튬금속전지, 리튬황전지, 전고체전지 - 비발화 수계전지 : 아연이온전지, 아연브롬전지, 바나듐레독스 전지 - 연료전지 : 양이온 교환막 및 음이온 교환막 연료전지 - 수전해 : 고분자 전해질 수전해, 음이온 교환막 전해질 수전해

□ 세계 최고 수명을 지닌 불타지 않는 ESS(에너지저장시스템) 수계전지 개발​

최근 신재생에너지의 활용을 높이기 위한 에너지저장시스템(Energy storage systems, 이하 ESS) 기술이 각광받고 있습니다. 현재 ESS는 값이 저렴한 `리튬이온전지'를 채택하고 있지만, 리튬이온전지는 화재 위험성 때문에 대용량 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받아왔다. 따라서 배터리 과열 현상을 원천적으로 차단할 수 있는 수계(물) 전해질을 이용한 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 높은 구동 전압과 함께 에너지 밀도를 높일 수 있고, 가격이 싸다는 장점으로 인해 주목을 받아왔다. 그러나 아연음극의 덴드라이트 성장에 의한 수명한계로 인해 상용화에 이르지 못했다. EED Lab은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 덴드라이트 발생이 억제된다는 사실을 발견하고 양자 역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전송 전자 현미경 분석을 통해 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 규명하는 데 성공했다. 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않은 사실을 발견했다. 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용해, 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5,000 사이클 이상의 수명 특성을 구현하는데 성공했다. 본 결과는 지금까지 다양한 레독스 흐름 전지에 대해 보고된 결과 중 가장 뛰어난 수명성능을 지닌 전지이다.

    

□ 음극재 없는 고에너지 리튬 배터리 구동을 위한 음극 집전체 개발

음극재가 없는 리튬 전지(Anode-free Li battery)는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지의 많은 부피와 무게를 차지하는 흑연 음극재를 없앤 차세대 구조의 전지다. 기존 리튬이온전지와 비교해 60% 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다는 점 때문에 산업계와 학계에서 활발하게 연구가 진행되고 있다. 하지만 리튬 이온의 리튬 금속의 수지상 성장으로 인해 지속적으로 비가역적인 리튬의 손실이 발생하며 충·방전 효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 발생한다. EED Lab은 3차원 음극 집전체 표면의 일함수를 높여 리튬의 수지상 성장을 억제하고 집전체 표면에서 리튬과 전해액의 부식을 억제할 수 있음을 규명하고 탄소 집전체 표면에 인위적으로 탄소 결함 구조를 도입해 일함수를 높였고, 이로 인해 전해질의 분해가 크게 억제되며 균일한 리튬금속 성장을 유도하고 안정적으로 에너지를 저장할 수 있음을 검증했다. 연구팀은 개발된 집전체를 통해 기존 구리 집전체 대비 월등하게 높은 성능을 보여줬고, 동시에 극미량의 전해액만이 전지 내에 주입되는 희박 전해액 환경에서도 구동할 수 있음을 확인했다.

    

□ 바나듐레독스 흐름전지용 전해액 신공정 개발

바나듐 레독스 흐름전지는 안전성뿐 아니라 내구성 및 대용량화의 장점이 있어 대용량 에너지 저장장치로의 응용이 기대되고 있으나, 리튬이온전지 대비 높은 가격으로 인해 시장 확대가 지연되고 있다. 바나듐 전해액은 전체 전지 가격의 50% 이상을 차지하고 있어, 바나듐 전해액의 저가격화는 바나듐 레독스 흐름전지 시장 확대의 핵심이라 할 수 있다. 상업적으로 이용되는 바나듐 전해액은 바나듐옥사이드(V2O5) 전구체를 전기분해를 이용해 환원시켜 제조된다. 그러나 전기분해 방식은 고가의 전기분해 장치가 필요하고 에너지 소비가 크며 전기분해 중 생성되는 높은 산화수의 전해액의 재처리가 필요하다. EED Lab은 유기 연료전지의 촉매 기술을 응용해 잔류물이 남지 않는 환원제인 포름산의 활성을 증대시켜 바나듐을 3.5가로 환원시키는 기술을 개발했다. 본 기술을 이용해 시간당 2리터(L)급 촉매 반응기를 개발했고 연속 공정을 통한 고순도의 3.5가 바나듐 전해액 생산에 성공했다. 이번 촉매반응을 이용한 제조공정은 전기분해 방식 대비 효율적인 공정 구조를 가져 생산 공정 비용을 40% 줄일 수 있다. 또한, 촉매 반응기를 통해 생산된 전해액은 기존 전기분해 방식으로 만들어지는 전해액과 동등한 성능을 보여 그 품질이 검증됐다.

     

□ 이론용량 92% 구현한 리튬-황 전지 개발​

리튬-황 전지는 리튬-이온 전지보다 약 6~7배 높은 이론 에너지밀도를 갖고 원료 물질인 황의 가격이 저렴해 리튬-이온 전지를 대체할 차세대 리튬 이차전지로 주목받고 있다. 그러나 리튬-황 전지는 구동 중 방전 생성물인 황화 리튬이 전극 표면에 쌓이고 전극 표면에서 전자전달을 차단해 리튬-황 전지의 이론용량 구현이 불가능하다는 한계를 갖는다. 이러한 전극 부동화의 문제로 인해 이론용량 구현이 70%를 넘지 못하는 한계를 보였다. EED Lab은 문제 해결을 위해 기존 리튬-황 전지의 전해질에 사용하던 리튬 염을 대체해 높은 전자기여도를 가지는 음이온 염을 이용했다. 이 전해질 염은 전지 내부의 황화리튬의 용해도를 높여 전극 표면에 3차원 구조의 황화리튬 성장을 유도하고 이는 전극의 부동화를 효율적으로 억제해 높은 용량을 구현할 수 있게 한다. 연구팀은 이 전해액 기술을 바탕으로 기존 리튬-이온 전지와 동등한 수준의 면적당 용량 밀도를 갖는(4mAh/cm2) 고용량 황 전극에 대해 이론용량 92%인 수준을 구현해 기존 리튬-황 전지 기술의 한계를 넘었다. 또한 리튬 음극 표면에 안정한 부동피막을 형성해 100 사이클 이상 구동 시에도 안정적인 수명을 구현했다.

   

                                                                          [EED Lab의 연구성과]