Electrochemical Energy Storage
전기화학적 에너지 저장

에너지 저장 영역에서 본 연구실은 고에너지 저장 장치, 특히 금속-공기(금속-이산화탄소 포함) 및 금속-황 배터리의 개발에 중점을 두고 있습니다. 
금속-공기 배터리 중 하나인 리튬-공기 배터리는 리튬 애노드 (anode), 분리막 (separator), 전해질 (electrolyte) 및 캐소드 (cathode)를 조립하여 제작하는데, 소자 구성 및 캐소드를 구성하는 촉매의 조성이 연료전지에서 사용하는 것과 매우 유사합니다. 
또한, 대기에서 공급되는 공기 (산소)를 매개로 캐소드에서 충전 및 방전 반응이 진행된다는 점이나 촉매의 기공성과 활성도의 연관성이 높다는 점 역시 연료전지의 캐소드를 연상시키는 부분입니다. 
이에, 본 연구실에서는 금속-공기 배터리의 충방전과 함께 시작되는 산소 발생 반응 (Oxygen evolution reaction, OER) 및 산소 환원 반응 (Oxygen reduction reaction, ORR)을 향상시키면서 배터리의 용량 및 수명을 증가시키도록 돕는 촉매 개발 연구를 병행하고 있습니다. 
수년에 걸쳐 본 연구실은 근본적인 문제에 대한 더 나은 이해와 이러한 장치의 실용성(예: 산소를 공기로 성공적으로 대체)을 목표로 여러 문제에 중점을 두었습니다. 
구체적으로, 우리는 새로운 전기촉매(예: 역오팔 나노구조 및 비재래식 재료), 안정성 문제(예: 전해질 분해 및 금속 양극 보호), 메커니즘(예: 산화환원 매개체 작동 매핑) 및 음극 측에서 태양 에너지의 통합(예: 광 반응성 재료의 통합) 등을 연구하고 있습니다. 
또한, 본 연구실은 이 분야의 국내외 주요 선도과학자들과 협력 연구를 수행해오고 있습니다. (예: 변혜령 교수(KAIST), 강기석 교수(서울대학교), Yang Shao-Horn교수(MIT) 등).

하이브리드 탄소/산화코발트 역오팔 구조 기반 리튬-공기 배터리 연구

본 연구는 일차적으로 블록공중합체 기반의 자기조립, 유기-무기 혼성화 및 직접탄소화 기술과 함께 산화코발트 광결정 구조 제조 기법을 결합시켜 
메조기공 및 매크로기공이 규칙적으로 분포한 3차원 계층형 탄소/산화코발트 역오팔 구조를 형성하는 것을 목적으로 하고 있으며, 이 다기공성 물질을 리튬-공기 배터리 내 산소환원 및 산소발생 반응에 참여하는 전극으로 활용하는 방안을 제시하고 있습니다. 
탄소/산화코발트 역오팔 구조가 도입된 리튬-공기 배터리의 경우, 기존 Ketjen Black 기반 배터리에 비해 충전 과전압을 약 0.3 V 가량 감소시킨 
반면, 충방전 용량과 충방전 가역성을 각각 두배 및 아홉배 가량 향상시켰습니다. 
충방전 반응에 활성이 큰 산화코발트 및 탄소 성분을 3차원 구조 전반에 분포시킨 것이 충반전 용량을 크게 증가시킨 원인으로 분석되며, 탄소/산화코발트 역오팔 구조의 다기공성이 리튬 이온, 산소 및 전자의 이동도을 용이하게 하는 동시에 방전 생성물인 Li2O2를 담지하는 공간으로 이용된 점 역시 배터리 효율에 긍정적인 영향을 미쳤습니다. 
본 연구를 통해 리튬-공기 배터리의 효율을 향상시키는 데 전극의 성분 뿐만 아니라 구조적 특성 제어가 중요함을 밝혔고, 본 연구에서 제시하는 역오팔 구조를 형성하는 산화코발트 성분을 다양한 산화물로 대체하는 것이 가능하기 때문에 향후, 리튬-공기 배터리 및 기타 차세대 배터리에 적용될 수 있는 전극의 모델을 확립하는 계기가 마련되었다고 평가됩니다.

이산화탄소에 의해 야기되는 리튬-산소 배터리의 불안정성 메커니즘 규명 연구

리튬-산소 배터리의 연료를 산소에서 공기로 치환하기 위한 많은 연구가 
이루어져 왔으나, 공기 중에 존재하는 미량의 이산화탄소는 리튬-산소 배터리의 화학적 변화를 일으키는 것으로 알려져 있습니다. 
리튬-산소 배터리에 30%의 이산화탄소가 주입될 경우, 이산화탄소는 O2- 와 반응하여 수용성의 CO42- 와 C2O62- 염을 형성하게 됩니다. 
이는 배터리의 용량과 순환 능력을 증가시키지만, 한편으로는 방전 과정 중에 Li2CO3 라는 부산물의 형성을 유도하여 배터리의 부식을 일으키기도 합니다. 
본 연구진은 리튬-산소 배터리의 방전 과정에서 필요한 과전압을 낮추기 
위해 Br3-/Br2 redox couple을 도입하였으며, 작용 기작을 연구하기 위해 흡광 및 라만 분광학적 기법을 활용하였습니다. 
본 연구진은 최초로 Li2CO3의 형상이나 결정도 같은 구조적 성질이 Br3-/Br2 redox couple에 미치는 영향을 밝혀냈습니다. 
또한, 분광학적 분석을 통해 Br2¨¨ Br3- complex 가 Li2CO3의 분해를 촉진하는 촉매로 작용한다는 사실을 입증하였으며, 무극성인 Br2 분자가 전해질 내에서 보이는 불안정성을 규명하였습니다. 
본 연구는 redox mediator 의 작동 중 분자 구조를 밝혀냈을 뿐만 아니라 Li2CO3의 분해 기작을 규명하였다는 점에서, 리튬-에어 배터리의 효율 향상에 중요한 시사점을 제공할 수 있을 것으로 사료됩니다.

리튬-황 이차 전지 음극 리뷰

리튬-황 (Li-S) 배터리의 개발은 2567 Wh/kg의 에너지 밀도를 제공하며, 이는 최첨단 리튬-이온 장치에 비해 최대 3배 내지 5배 향상된 성능을 가지고 있습니다. 
그러나 Li-S 셀에서 금속 양극의 임계 저하를 해결하고 관련 부반응을 억제하는 것은 상업화하는데 중요합니다. 고유한 Li-S 전기화학에 비추어, 충전 과정에서 발생하는 dendritic 리튬 발생과 성장을 포함한 리튬 금속 양극의 기술적 과제와 solid electrolyte interphase (SEI)의 안정화에 대해서 다루었습니다. 
양극의 안정성과 전해질과의 관계, 전극의 current density, polysulfide intermediate의 shuttle 반응의 효과와의 상관관계를 결정하는 중요한 요인의 지침을 확립하기 위한 방법에 대해서도 살펴보았습니다. 
본 리뷰는 기본 방법론에 대해 이론적 이해 및 분석과 함께 금속 표면 보호 (전해질 수정 기반 접근법 및 금속 표면 코팅)를 위해 도입된 전략의 종합적인 비교를 제공했습니다.

  • Representative works in PNML:
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H. Hong et al., J. Mater. Chem. A 2021, 9, 10012-10038
F. Marques Mota et al., Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903486
Y. J. Jang et al., ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 5109-5115
S. A Cho et al., Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700391