[ET단상] 4차산업혁명의 초석이 될 전기화학

 

조원일 박사

매년 스위스 다보스에서 개최돼 '다보스포럼'이라고도 불리는 '세계경제포럼(WEF)'이 얼마 전 막을 내렸다. WEF는 전 세계가 고민해야 할 문제를 해결하기 위한 비영리 단체다. 세계 석학과 리더의 담론을 모은다. 최근 몇 년 동안 4차 산업혁명을 중점 의제로 기술혁명이 가져올 영향을 다각도로 고민했다.

올해 WEF는 '분절된 세계에서 공유 미래 창조'를 주제로 분절된 세계를 이어 주는 구조를 제안했다. 분절된 세계는 어떻게 이을 수 있을까.

 

우선 지리상의 거리를 이어 주는 것이 필요하다. 최근 화두로 떠오른 자율주행차가 연상된다. 정보를 주고받는 센서, 이를 이어 주는 통신 네트워크를 떠올리는 것도 자연스럽다. 많은 정보를 분류하고 적절히 사용할 수 있는 빅데이터 활용과 인공지능(AI)까지도 생각을 확대하게 된다. 이렇게 이어진 세계를 통해 건강하고 장수하는 삶을 그리는 것은 당연하다.

 

이런 흐름 속에 분절된 세계를 잇기 위한 '전기화학'의 역할을 고민하게 된다. 필자를 포함해 이 분야에 종사하고 있는 학자와 연구자들이 우선 해결해야 할 문제다. 전기화학의 효시는 '개구리 뒷다리 실험'으로 알려진 19세기 이탈리아 학자 루이지 갈바니의 실험으로 거슬러 올라간다. 실제 응용은 2000여년을 더 거슬러 올라간다. 이라크 수도 인근에서 발굴된 '바그다드 배터리'가 있다. 초기 형태 전지로 추정된다.

 

전기화학은 배터리, 연료전지, 태양전지, 커패시터, 센서, 전착에 이르는 많은 분야로 확대·발전됐다. 국제통화기금(IMF) 금융 위기 시절에 출범한 한국전기화학회에도 7개 전문 분과가 자리를 잡았다. 오는 21~22일에는 80여명의 핵심 연구자들이 '전기화학-새로운 20년'을 주제로 머리를 맞댄다. 다보스포럼 정도의 규모는 아니지만 진지하고 개방된 태도로 임한다. 쌓인 현안과 미래의 논의거리가 많다.

 

 '새로운 20년'을 시작하는 마음에 긴장을 더해 본다. 전기로 가는 자율주행차, 하늘을 나는 드론, 몸에 부착된 생전기 화학센서 등 전기화학 현상을 기반으로 한 수많은 장치가 우리 주위를 장식할 때를 그려 본다. 개구리 뒷다리의 작은 움직임은 거대한 전기화학의 물결을 가져왔다. 액세서리 도금에서 전기자동차 주행, 신재생 발전 및 저장에 이르기까지 우리 사회 전반을 변화시키고 있다. 신경 전달 해석, 신체 상태 진단 해석 분야 등으로 또 다른 파장을 불러올 것이다.

 

그러나 국내에는 전기화학을 전문으로 다루는 대학의 교육 과정이 현재 마련돼 있지 않다. 그나마 '전기화학' 과목을 개설한 학교의 강좌마저 제대로 이어지고 있지 못한 게 현실이다. 이런 현실을 접할 때 우리의 조급증 DNA가 이제는 대학 교육에도 많은 변화를 일으키고 있음을 통감한다. 세상의 빠른 변화에 필요한 융합과 창의 발상도 중요하다. 그에 못지않게 변화의 핵심 바탕에 자리하는 학문에 대한 중요성도 결코 소홀히 취급되면 안 될 일이다.

 

교육은 국가 백년대계라고 말한다. 그러면서도 빠르게 다가오는 시대 요구를 동시에 만족시키기란 매우 어려울 것이다. 그러나 변화에 앞서 가져올 변화를 가늠할 수 있는 중심은 언제나 학문에 기초를 두고 있음을 명심해야 한다. 한국전기화학회의 창립 정신을 다시 돌아보게 된다. 이종 분야 간 협력과 상생의 길을 본받아야 한다. 고대 플라톤 철학에서 언급되는 이데아(본질)와 에이도스(형상)의 관계가 엄연히 유지하고 보완되도록 하는 것이 중요하다. 4차 산업혁명 시대 전기화학의 새로운 20년을 준비하는 시기, 연구자에게 주어진 임무를 다시 상기해야 할 때다.

 

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새로운 인공 고체-전해질 물질로

전극 안정화, 고성능 리튬-황 전지 구현
향후 드론, 자율주행차등 에너지 저장시스템에 적용 기대

 

조원일 박사

리튬-황(Lithium-Sulfur battery)전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 대략 8배 높은 에너지밀도를 가져 제대로 구현이 된다면 리튬이온전지를 상회할 수 있다고 기대되는 2차전지이다. 하지만 황(octa-sulfur)을 양극으로, 리튬 금속을 음극으로 하는 리튬-황전지의 구현에는 많은 제약이 있어 상용화에 어려움을 겪고 있다. 최근 연구진이 기존의 액체 전해질 사용시 발생하는 문제를 해결한 새로운 인공 고체-전해질 중간물질(ASEI, artificial solid-electrolyte interphase)을 사용하여 리튬-황 전지의 성능과 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 조원일 박사팀은 ‘무인 이동체’를 구동을 위한 차세대 전지 기술을 개발해왔으며, 이번에 새로운 물질을 개발하여 전지의 이온 보호막으로 사용, 리튬 음극과 황 양극의 안정화를 끌어내어 고성능 리튬-황 전지 기술을 개발했다. 기존의 리튬-황 전지의 단점은 양극으로 사용하는 황의 낮은 전기전도도와 반응생성물인 부도체(Li2S)와 추가적으로 발생하는 반응생성물인 리튬폴리설파이드(LPS, Li2Sn 2<n<8)라 불리는 중간 종의 형성에 있다. 이 물질들은 전극 물질의 손실과 낮은 재이용율 문제를 일으켜 그 결과로 전지의 용량이 빠르게 감소하거나, 충·방전 수명이 짧아지며, 화학적 단락이 발생하게 된다. 또 다른 문제는 충·방전 시 음극인 리튬의 높은 반응성과 불균일한 전착이 과열, 전해액 분해, 리튬 손실을 야기한다. 충전과정에서 리튬이온의 불균일한 전착은 분리막을 꿰뚫게 되는 이른바 ‘덴드라이트’(Dendrite, 수상돌기) 성장이 일어나 많은 열과 스파크를 일으켜 가연성 유기물인 전해액의 발화를 일으키는 심각한 안전문제를 가져온다.

<그림 1> 인조 고체-전해질 중간상을 적용한 고성능 리튬-황전지 개념도

KIST 연구진은 리튬-황 전지의 양극과 음극 모두에서 일어나는 전기화학공정을 안정화시키기 위해 방어막 역할을 하는 새로운 인공 고체-전해질 중간물질(ASEI)을 제조하여, 음극(-)에서 리튬의 안정한 도금을 형성하여 단점을 상쇄하는 원천적 메커니즘을 밝혔다. 유사한 개념을 적용하여 양극(+)에서의 문제도 해결하여 매우 효과적으로 황의 재이용율을 높이는 것을 고안했다. 연구진은 서로 다른 두 종류의 고체-전해질 중간상(ASEI) 설계 개념을 결합하여 제조한 고성능 리튬-황전지가 1,000회 이상의 안정적인 충·방전이 가능하며, 기존의 리튬이온전지에 비해 용량이 3배 가량 상회하는 것을 확인함으로서, 전지의 오랜 수명과 고출력을 구현하는데 성공했다.

 

본 연구를 주도한 KIST 조원일 박사는 “이번 연구는 가까운 시일 내에 리튬금속을 음극으로 하는 차세대 이차전지의 상용화를 앞당기게 될 것”이라 말하며, “이번 개발한 리튬-황 전지는 가볍고 에너지 출력이 높아 향후 드론, 자율주행차와 에너지저장시스템(ESS)등에 적용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 ‘무인이동체 사업단’ 사업과 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:12.34)에 10월 7일(목) 온라인 게재되었다. 

 * (논문명) Designing Solid-Electrolyte Interphases for Lithium Sulfur electrodes using Ionic Shields
   - (제1저자) KIST 김문석 연구원(전문연구요원)
   - (교신저자) KIST 조원일 책임연구원, 미국 코넬대학교 린든 아처 교수

 

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[에너지경제] [2017 기상도] 리튬이온전지 한-중-일 격돌

 

[에너지경제신문 안희민 기자] 불과 1∼2년 전만 해도 한국은 글로벌 이차전지 부문에서 1등 국가였다. 스마트폰과 노트북, 패블릿 PC용 전지 시장에서 LG화학과 삼성SDI는 나름대로 아성을 구축했다. 헌데 전기차 시장이 본격적으로 열리며 사정이 달라졌다. 18659 원통형 전지가 7000개나 삽입되는 테슬라 모델S에는 일본 파나소닉의 전지가 탑재됐고, GM 쉐보레 볼트에는 LG화학 전지가 들어간다. 삼성SDI 역시 아우디 등 고급 전지 시장으로 외연을 넓히며 차별화 전략을 구사하고 있다. 한-중-일, 3국이 전기차용 리튬이온전지(LIB) 시장을 놓고 격돌하는 것이다. 승부 결과에 따라 이차전지 지형도는 크게 달라질 것으로 보인다.[...]

[에너지경제 기사보기]

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[단독] 조원일 박사팀 리튬금속 코팅기술 개발

 

KIST 에너지융합연구단의 조원일 박사님과 김문석 박사님이 차세대 전지의 성능을 향상시키는 리튬금속 코팅 기술을 개발했습니다. 김희탁 카이스트 교수님과 한밭대 유명현 교수님과 함께 연구한 결과라고 합니다. 아래 에너지 경제 기사에서 확인해보세요

 

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조원일 박사 

김문석 박사 


 

 

 

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교환품까지 발화…배터리 설계결함? 특정기능 과부하?

 

최근 갤럭시 노트7 배터리 폭발, 발화 문제가 심각해지면서 배터리 연구에 대한 관심도 덩달아 높아지고 있습니다.  이와 관련된 중앙일보와 KIST 에너지융합연구단 조원일 박사님의 인터뷰를 확인해보세요

 

[중앙일보 기사보기]

 

 

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조원일 박사 "리튬황전지 결실 영글어가"

 

"버려진 것에서도 보석을 찾아내는 것이 연구 ("RE"Search)라고 말하는 조원일 박사님, 에너지 경제 인터뷰를 하셨네요   링크에서 기사 확인해 보세요~! [에너지경제 기사보기]

 

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