College Of Engineering
서울공대 이야기
서울대공대 최장욱 교수팀
차세대 알루미늄 이차전지 시스템 개발


-  Nature Energy 게재


▲ 왼쪽부터 서울대 화학생물공학부 최장욱 교수, 노스웨스턴대 프레이저 스토다트교수, 김동준 박사, 유동주 대학원생
 
서울대 공대는 화학생물공학부 최장욱 교수가 2016년 노벨 화학상 수상자인 미국 노스웨스턴대 화학과 프레이저 스토다트 교수와 공동 연구로 알루미늄 기반의 차세대 이차전지 시스템을 개발했다고 10일 밝혔다.
 
최근 전기자동차, 드론과 같은 전기에너지 기반의 운송 수단이 빠른 속도로 보급되며 이차전지의 수요가 급격히 높아지고 있다. 하지만 현재 상용화된 리튬 이온 전지는 리튬 및 전이 금속의 가격 상승으로 인해, 높아지는 전지 수요에 대응하기에는 비용 부담이 크다.
 
이러한 한계를 벗어나고자 연구팀은 가격이 저렴하고 금속 자체의 용량이 높은 알루미늄에 주목했다. 하지만 알루미늄 이온은 대부분 산화물의 구조를 파괴하기 때문에, 가역적인 양극 물질을 발굴하는 것이 난제로 남아있었다. 이에 연구팀은 기존 산화물 기반 물질에서 벗어나, 유연한 구조의 유기 분자에서 착안해 안정적으로 알루미늄 착이온을 수용하는 물질을 발굴했다.
 
연구팀은 유기 단분자 내 인접한 2개의 카르보닐기 그룹이 알루미늄 착이온을 전기화학적인 환경에서 안정적으로 수용하는 것을 처음으로 밝혔다. 나아가 유기 단분자의 특정한 결정을 이루는 경향으로 인한 용출 문제를 해결하고자 3개의 유기 단분자의 말단을 연결한 삼각형 유기분자를 개발했다. 삼각형 유기 분자는 유연한 층상 구조를 이루고 있어 5000회 이상의 수명 특성을 구현할 수 있다.
 
또한 삼각형 유기 분자는 흑연의 구조와 유사해 서로 적층이 가능하다. 적층된 복합 전극은 유기 분자의 내재적 문제점인 낮은 전도도를 해결할 뿐만 아니라, 두 종류의 알루미늄 착이온을 동시에 수용해 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 흑연과의 적층은 건조과정에서 물질 간의 긴밀한 접촉을 유지하고 높은 전극 탑재 및 기존 상용 공정 라인 활용을 가능하게 해 상용화에도 유리하다.
 
최장욱 교수는 “유기 분자 물질은 유기 합성을 통해 무수히 다양한 구조로 개발할 수 있어 차세대 이차전지 발전에 유용하게 쓰일 수 있다.”며 “이번 연구로 정체돼 있던 차세대 알루미늄 이차전지 개발의 새로운 활로를 열 것”이라고 말했다.
 
이번 연구는 세계적인 학술지 네이처 에너지(Nature Energy) 12월 3일자 온라인판에 게재됐다. 최장욱 교수, 스토다트 교수가 주도하고 김동준 박사, 유동주 박사과정이 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.


[용어설명]
1. 다가 이온
- 전자를 잃은 원자의 상태를 이온이라고 하는데, 전자를 2개 이상 잃은 이온. (ex. Mg2+, Zn2+, Al3+)
2. 착 이온
- 금속 원자 또는 그 이온을 중심하여 몇 개의 원자·원자단 등이 결합한 다원자 이온.
 

▲ 유기 분자를 양극으로 하는 알루미늄 이차 전지 모식도
- 알루미늄 금속을 음극, 삼각형의 유기 분자를 양극으로 하는 차세대 알루미늄 이차 전지 시스템을 나타낸다.

 

▲ 삼각형 유기 분자의 알루미늄 착이온 반응(충전-방전) 원리
-유기 단분자(PQ)의 인접한 두 카르보닐기 그룹은 알루미늄 착이온(AlCl2+)을 감쌈으로써 안정적으로 수용할 수 있다. 또한, 3개의 유기 단분자의 말단을 연결하여 삼각형 분자 구조를 이룰 때, 분자간의 인력이 강화되어 층상 구조를 유지할 수 있다. 삼각형 분자의 층상 구조는 알루미늄 착이온의 삽입/탈리 시에 생기는 구조 변형을 안정적으로 완화하여 우수한 수명 특성을 보유한다.
번호 제목 글쓴이 날짜 조회 수
1447 서울대 박용래 교수팀, 생체 근육의 감각기관을 모사한 소프트 센서 내장된 인공 근육 개발 hands 2019.08.21 580
1446 서울대 기술경영경제정책 대학원 김기원·신승렬 연구원, 2018년 한국전략경영학회 추계학술대회 우수논문상 수상 lee496 2018.12.03 581
1445 서울대-포스텍 공동연구팀, 해조류 기반의 친환경 바이오연료 생산 기술 개발 hands 2019.07.02 592
1444 서울대 이재욱·전병곤 교수, USENIX ATC 2019에 논문 게재 hands 2019.07.02 593
1443 서울대 공대, 오목형 옥상 빗물 텃밭 활용한 김장 나눔 행사 lee496 2018.12.03 596
1442 서울대 홍용택 교수팀 ‘DIY 웨어러블 시대’ 앞당길 맞춤형 웨어러블 기기 제작 기술 개발 hands 2019.05.23 597
1441 [서울경제] 윤병동 교수, [科技 골든타임놓치면 하청국가 된다] "교수 업적평가에 '창업 요인' 넣어야 학교도 살고 벤처도 산다 hands 2019.05.23 600
1440 항법학회 회장 취임 lee496 2018.12.03 616
1439 서울대 공대, SIGMOD, ICML 등 세계적인 국제 학회에 논문 8편 게재 hands 2019.07.02 617
1438 서울대 글로벌공학교육센터 현대자동차 제네시스와 함께 Ennovation Tank 데모데이 개최 lee496 2018.12.17 617
1437 버려지는 에너지 모아주는 효율 22배로 높이는 물질 개발 hands 2019.05.23 627
1436 '산업데이터'에 미래의 답 있다 hands 2019.05.23 635
1435 한국건축역사학회, 2018년 정기총회 및 학술발표대회 개최 lee496 2018.12.03 636
1434 저주파 전달 억제하는 삼차원 메타 구조 형상 최적 설계 hands 2019.07.31 644
1433 中企 여건에 맞는 '맞춤 스마트팩토리' 도입해야 hands 2019.05.23 653
1432 서울대 심규석·이재진 교수, 국제전기전자공학회(IEEE) 석학회원(Fellow) 선정 lee496 2018.12.03 655
1431 서울대 빗물연구센터·서밋237 바누아투 포트빌라 국립혜륜유치원에 빗물이용시설 준공 hands 2019.05.23 665
1430 서울대 전기정보공학부 전국진 교수, 국제전기전자공학회 부회장 선출 lee496 2018.12.17 668
1429 서울대 기계항공공학부 민경덕 교수 국제자동차공학회(SAE International) 석학회원 선정 lee496 2018.12.17 669
1428 "공학교육·건축교육 2개 인증 동시에… 세계적인 건축교육의 모델" lee496 2019.02.01 672
Login
College of Engineering Seoul National University
XE Login