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.
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