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《신기술》 성능 높이고 대량생산 앞당기는
2023-06-19

성능 높이고 대량생산 앞당기는 
이차전지 촉매와 소재 개발 연구 동향
전고체전지(황화물계)는 화재나 폭발 위험이 없어서 연구개발이 활발한 분야다. 국내 연구팀이 개발한 기술로 전고체 전해질을 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하게 되었다. 또한 백금을 대체할 수 있는 공정 특성상 대량 생산에도 적합한 고성능을 가진 전극 소재를 개발해 향후 음이온 교환막 연료전지에 적용할 수 있게 됐다. 또 다른 연구성과로는 스스로 얇은 층을 형성하는 물질을 활용해 유기 태양전지의 코팅 공정을 간소화하고 높은 효율과 긴 수명을 확보하는데 성공했다. 이 연구성과들로 이차전지와 연료전지 분야에 성능을 높이고 대량생산을 앞당기는 기폭제가 될 것으로 전망된다.

정리 편집부 
자료 KERI, GIST, KAIST
고순도 고체전해질을 제조하는 ‘간단 합성법(One-pot)’개발
고체전해질을 저렴한 가격으로 대량생산할 수 있는 기술이 개발되어 주목을 받고 있다. 한국전기연구원(KERI) 이차전지연구단 박준호 박사팀은 고가의 황화리튬은 물론, 첨가제 없이 고순도의 고체전해질을 제조할 수 있는 ‘간단 합성법(One-pot)’을 개발했다고 밝혔다.

고체전해질 제조법은 고에너지 볼 밀링(ball milling) 공정을 통한 ‘건식 합성법’과 용액의 화학 반응을 활용하는 ‘습식 합성법’이 있다. 연구팀은 공정의 스케일업 및 양산화 관점에서 유리한 습식 합성법에 집중했고, 용매 내에서의 최적 합성 반응을 통해 고순도의 고체전해질을 제조하는 데 성공했다.

가장 큰 장점은 고가의 황화리튬(Li2S)을 사용하지 않아도 된다는 것이다. 황화리튬은 고제전해질 제조를 위해 투입되는 시작물질 비용의 95 %를 차지할 정도로 비싸다. 또한 습식 합성과정에서 황화리튬이 미반응 불순물로 남아 셀 성능 저하의 원인이 되는 경우도 종종 발생한다. 일부 황화리튬을 사용하지 않는 합성법이 제안되기도 했지만, 고가의 첨가제를 추가로 사용해야 하고, 잔존 불순물이 발생하여 결과물도 만족스럽지 못했다.

하지만 KERI의 간단 합성법은 기존 습식 공정 대비 황화리튬은 물론, 어떠한 첨가제나 추가 공정 없이도 양질의 고체전해질 제조를 가능하게 한다. 비용은 기존 황화리튬을 사용했던 재료비 대비 무려 1/25배 수준으로 절감할 수 있고, 제조 공정 시간도 줄여 고체전해질의 대량생산화에도 크게 기여할 수 있게 됐다
. 
박준호 박사는 “연구원에서 수년간 축적해 온 고체전해질 제조 노하우를 기반으로, 유기 용매 내에서 시작물질의 최적 화학반응 조합을 통해 고순도의 고체전해질을 쉽고 간단하게 제조할 수 있는 방식을 찾았다”라고 밝히며 “전고체전지 상용화의 가장 큰 난관인 가격 경쟁력과 대량생산 이슈를 모두 해결할 수 있을 것으로 기대한다”라고 전했다. 원천기술과 관련한 특허 출원, 국내외 성과 논문 게재 등을 완료한 KERI는 이번 성과가 전고체전지 관련 기업들의 많은 관심을 받을 것으로 보고, 수요 업체를 발굴하여 기술이전을 추진한다는 계획이다.1)
백금보다 80배 저렴한 수소전지 대체 촉매 개발
탄소 중립에서 미래 에너지원으로 주목받고 있는 수소. 수소 연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 발전장치로, 중소형 발전뿐만 아니라 승용차, 버스, 선박 등과 같은 운송 수단의 동력원으로 개발되고 있다. 그러나, 현재 전극 재료로 귀금속인 백금을 사용하고 있어 가격을 낮추는 데 걸림돌이 되고 있다.

KIST 신소재공학과 에너지 변환 및 저장재료 연구실 조은애 교수 연구팀이 백금을 대체할 수 있는 저렴하지만 고성능을 가진 전극 소재를 개발하는 데 성공했다고 11일 밝혔다. 조은애 교수 연구팀은 차세대 연료전지로 개발되고 있는 음이온 교환막 연료전지용 전극 소재로 백금보다 우수한 성능을 갖는 `니켈-몰리브데넘 소재’를 개발했다고 밝혔다. 특히, 신규 개발 촉매를 실제 연료전지에 적용하는 경우 다양한 변수에 의해 실성능을 얻지 못하는 경우가 많다. 그러나, 연구팀은 이번 연구에서 이를 극복하고 실제 연료전지에 신규 개발 촉매를 적용하는 것에 성공했다.

니켈은 음이온 교환막 연료전지용 비귀금속 전극 소재로 주목받았으나, 백금 성능의 100분의 1에도 미치지 못하여 실제 적용되지 못하고 있었다. 그러나 이번에 연구팀이 개발한 니켈-몰리브데넘 촉매는 백금보다 성능이 우수하고 (백금: 1.0 mA/cm2, 니켈-몰리브데넘 촉매: 1.1 mA/cm2), 가격은 80분의 1에 불과하여 백금을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 니켈-몰리브데넘 촉매를 연료전지에 적용하여 성능을 확보하는 데에도 성공하였다.

조은애 교수는 “순수한 니켈은 성능이 낮지만, 산화 몰리브데넘을 이용해 니켈의 전자구조를 변화시켜 성능을 비약적으로 향상했다”고 설명하며 “공정 특성상 대량 생산에도 적합하며 향후 음이온 교환막 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
신소재공학과 권용근 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 비: 엔바이론멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’ 2023년 4월 5일 자 온라인판에 게재됐다.2) 
유기 태양전지 공정 간소화 기술 개발
여러 층 코팅하던 기존 공정 탈피하고 스스로 보호층 형성하는 물질을 도입해 간소화하는 기술이 개발되었다. 지스트(GIST,광주과학기술원) 차세대에너지연구소 강홍규 박사, 이광희 소장과 영국 임페리얼컬리지 런던 공동연구팀이 스스로 얇은 층을 형성하는 물질을 활용해 유기 태양전지의 코팅 공정을 간소화하고 높은 효율과 긴 수명을 확보하는데 성공했다고 밝혔다.

유기 태양전지는 실리콘을 이용한 무기태양전지에 비해 저렴할 뿐만 아니라 가볍고 유연하며 투명하다는 장점이 있다. 특히 건물과 자동차의 창문이나 유리온실에 필름으로 부착하는 등 다양한 산업에 활용할 수 있어 꾸준한 연구가 진행되고 있다. 그중 역구조 유기 태양전지3)에 널리 사용되고 있는 산화아연은 빛의 투과율이 높고 전하 수송 능력이 뛰어나지만 자외선을 흡수하면 광촉매현상4)을 일으켜서 전기를 만드는 광활성층을 분해시킨다. 이 경우 빛을 흡수하는 능력이 떨어져 전기 생산 효율이 크게 저하된다.
산화아연 위에 보호층(passivation layer)을 씌우기 위한 시도가 여러 번 있었으나 복잡한 코팅 공정 때문에 제조비용이 상승하는 문제가 발생했다. 연구팀은 단분자 물질5)인 ‘풀러렌 기반 자기조립 소재(이하 C60-SAM)6)’를 산화아연 위에 도포해 스스로 보호층을 형성하게 함으로써 산화아연의 안정성을 확보하고 전지의 효율과 수명을 개선했을 뿐만 아니라 코팅 공정을 간소화하는데도 성공했다. C60-SAM은 산화아연과 만나면 표면에 얇은 층을 형성하는 점을 이용해 연구팀은 C60-SAM을 광활성 물질에 혼합해서 코팅하고 산화아연과의 반응을 통해 스스로 보호층을 형성하게 했다. C60-SAM의 카르복실산 말단기와 산화아연 표면의 하이드록실기 사이에서 축합반응7)이 일어나 그 사이에 보호층이 안정적으로 형성될 수 있었다. 특히 유기 태양전지의 효율이 10 % 떨어지기까지 걸리는 시간이 기존 20여 분에서 8시간으로 약 24배 늘어나는 등 전지 수명이 대폭 개선됐다.
강홍규 박사는 “이번 연구는 역구조 유기 태양전지의 전자수송층과 광활성층 사이에서 발생하는 안정성 문제를 자기조립층을 이용한 보호막 형성이라는 새로운 방식으로 해결한 것에 의의가 있다”며 “유기 태양전지는 코팅 공정을 하나만 줄이더라도 양산성을 크게 개선할 수 있어 상용화에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야의 저명한 국제학술지인 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)>에 4월 25일 게재됐다.8)
1) 이번 연구는 KERI의 기본사업인 ‘불연성전지 상용화를 위한 제조공정 핵심기술 개발’과제를 통해 진행됐다.
2) 논문명 : A Ni-MoOx composite catalyst for the hydrogen oxidation reaction in anion exchange membrane fuel cell 조교수팀이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
3) 역구조(inverted type) 유기 태양전지 : 안정성 및 생산성을 개선하기 위해 빛이 들어오는 부분을 양극으로 사용하고 빛이 반사되는 후면전극을 음극으로 사용한 유기 태양전지이다.
4) 광촉매현상 : 자외선이 조사된 광촉매 표면에서 생성된 강력한 산화제가 광촉매 표면에 흡착된 물질을 분해하는 현상이다.
5) 단분자 물질 : 적은 수의 유기물을 연결해 만드는 물질로, 고분자에 비해 용해도가 높고 합성이 쉬워 다양한 사용이 가능하다.
6) 풀러렌 기반 자기조립 소재(C60-SAM) : 풀러렌(C60)을 기반으로 작용기간 상호작용을 통해 표면에 자발적으로 얇은 ‘자기조립 단분자막(Self-Assembled Monolayer)’을 형성하는 소재이다.
7) 축합반응(condensation reaction) : 유기 화합물의 두 분자 또는 그 이상의 분자가 반응하여, 물 따위의 간단한 분자를 제거하고 새로운 화합물을 만드는 반응이다.
8) 논문명 : <New Ternary Blend Strategy Based on a Vertically Self-Assembled Passivation Layer Enabling Efficient and Photostable Inverted Organic Solar Cells>
차세대에너지연구소 강홍규 박사, 이광희 소장 연구진과 임페리얼칼리지 런던 James R. Durrant 교수 연구진이 공동 수행하고 지스트 출신 정소영 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부의 기후변화대응기술개발사업, 신진연구자지원사업 및 차세대에너지연구소 주관 지스트 개발과제 등의 지원을 받아 수행됐다. 

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