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이차 전지용 후막 전극 연구 동향

Recent Research Trend in Ultra-thick Electrodes for Rechargeable Batteries

이정태 ( Jung Tae Lee )
  • : 한국공업화학회
  • : 공업화학전망 23권1호
  • : 연속간행물
  • : 2020년 02월
  • : 18-29(12pages)

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목차

1. 서 론
2. 후막 전극의 구조 및 제조
3. 후막 전극의 전기화학 특성
4. 결론 및 전망
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배터리 구동 기기의 사용이 계속적으로 증가하고 첨단화, 다기능화, 융합화가 되면서 고에너지 밀도 배터리에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 배터리의 에너지 밀도를 높이는 여러 가지 전략 중에서 활물질 코팅 두께를 늘려 에너지를 저장하지 않는 집전체와 분리막의 사용량을 줄이고 배터리의 중량, 부피, 그리고 가격을 동시에 줄이는 전략은 간단하면서도 매우 효율적인 방법이다. 하지만 기존 전극 제작 방법으로 후막 전극을 제작할 경우 전극 제작 자체가 쉽지 않고 만들었다고 해도 전자와 이온의 두께 방향 이동 지연으로 인해 전극의 전기화학 특성이 좋지 않다. 이러한 문제점을 극복하고자 이차 전지용 첨단 후막 전극에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 기고문에서는 이차 전지용 후막 전극의 구조, 제조방법, 전기화학 특성에 관한 연구동향을 소개하고자 한다.

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  • : 공학분야  > 화학공학
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  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1998-2020
  • : 1790


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1리튬이온전지(Lithium Ion Battery) 양극 물질 연구동향

저자 : 나성민 ( Sung Min Na ) , 박현규 ( Hyun Gyu Park ) , 김선욱 ( Sun Wook Kim ) , 조혁희 ( Hyuk Hee Cho ) , 박광진 ( Kwanggjin Park )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학전망 23권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 3-17 (15 pages)

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리튬이온전지(LIB)는 기존의 다른 이차전지와 다른 확실한 몇 가지 장점이 있다. 높은 작동 전압과 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 그리고 낮은 자체 방전 속도이다. 이러한 장점으로 모바일 제품에서부터 전기 자동차(battery electric vehicle, BEV), 최근에는 전기저장장치(energy storage system, ESS)까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 하지만 사용 범위가 증가함에 따라 높은 안정성을 가지며 더 큰 에너지 용량을 나타내는 리튬이온전지에 대한 요구가 점점 더 커지게 되었다. 리튬이온전지의 용량 증가는 전지의 설계보다는 양극 및 음극 재료, 분리막 및 전해질과 같은 주요 전지 재료의 기술적 진보에 달려 있다. 주요 전지 소재 중에 전지의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 전지반응에 의한 과전압과 가격이 가장 비싼 양극이다. 본 기획 특집에서는 리튬이차전지의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 양극 물질의 종류와 향후 연구동향에 대해서 소개하고자 한다. 양극 물질의 발전 방향, 안정성과 용량 증대를 위해서 최근 연구되고 있는 방향에 대해서 자세하게 소개한다.

2이차 전지용 후막 전극 연구 동향

저자 : 이정태 ( Jung Tae Lee )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학전망 23권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 18-29 (12 pages)

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배터리 구동 기기의 사용이 계속적으로 증가하고 첨단화, 다기능화, 융합화가 되면서 고에너지 밀도 배터리에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 배터리의 에너지 밀도를 높이는 여러 가지 전략 중에서 활물질 코팅 두께를 늘려 에너지를 저장하지 않는 집전체와 분리막의 사용량을 줄이고 배터리의 중량, 부피, 그리고 가격을 동시에 줄이는 전략은 간단하면서도 매우 효율적인 방법이다. 하지만 기존 전극 제작 방법으로 후막 전극을 제작할 경우 전극 제작 자체가 쉽지 않고 만들었다고 해도 전자와 이온의 두께 방향 이동 지연으로 인해 전극의 전기화학 특성이 좋지 않다. 이러한 문제점을 극복하고자 이차 전지용 첨단 후막 전극에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 기고문에서는 이차 전지용 후막 전극의 구조, 제조방법, 전기화학 특성에 관한 연구동향을 소개하고자 한다.

3상온 이온성 액체의 리튬 이차 전지 전해질로써의 적용

저자 : 김진은 ( Jineun Kim ) , 문준영 ( Junyoung Mun )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학전망 23권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 30-41 (12 pages)

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최근 전기차, 신재생에너지 등장 등으로 중대형 이차전지 시장이 확대되면서, 리튬 이온 배터리 안전성 이슈 관련 고안전성 전해액 소재에 대한 관심이 높아졌다. 다양한 고안전성 전해액 시스템 중, 상온 이온성 액체는 비발화성, 낮은 증기압 특성으로 많은 관심을 받고 있다. 뛰어난 물리적 특성에도 불구하고 리튬 이온 배터리의 전해액으로 사용되기 위해서는 전도도 및 전기화학 안전성, 전극 계면 거동이 전기화학 성능을 얻는데 만족되어야 한다. 많은 종류의 상온 이온성 액체들이 분자 구조 설계 및 양극/음극 전해액 사용, 전지 내 부품 안전성 확보 등의 다양한 접근 방법들로 연구가 진행되어 왔다. 향후 지속적인 전지 안전성의 이슈에 대한 중요성 증대로 상온 이온성 액체에 대한 연구 역시 더 활발해질 것으로 기대되며, 본 기고문에서는 다양한 상온 이온성 액체들이 전지 시스템에 적용된 연구동향에 대해서 정리하고 소개하고자 한다.

4전산재료과학 기반 리튬이온전지 전극 소재의 연구동향

저자 : 강혜수 ( Haisu Kang ) , 이승걸 ( Seung Geol Lee )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학전망 23권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 42-54 (13 pages)

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계속적인 충ㆍ방전이 가능하여 반영구적으로 사용이 가능한 2차 전지는 친환경 소재로 주목받고 있으며, 노트북 컴퓨터와 휴대전화, 캠코더 등 소형 전자기기뿐만 아니라 전기자동차의 핵심소재이다. 전기자동차 시장의 성장과 더불어 중대형 에너지 저장용 2차 전지 시장의 규모는 더욱 확대되고 있어 관련된 소재의 개발 경쟁과 관심이 날이 갈수록 뜨거워지고 있다. 따라서 소재개발 측면에서 2차 전지 핵심 소재의 물성 발현의 원리 등을 이해하고 최적 소재 설계를 위해서는 원자 레벨에서의 소재 설계 접근법이 필요하다. 따라서 실험적인 연구가 어려운 부분과 원자단위에서의 물질 현상에 대한 이해 그리고 연구 개발의 효율성 증진을 위해서 전산재료과학(computational materials science) 기술이 광범위하게 활용될 수 있다. 본 기고문에서는 리튬이온전지에서의 전극 소재에 대한 전산재료모사의 활용과 연구동향에 대하여 소개하고자 한다.

5주돈이, 연꽃을 사랑했던 성리학의 비조

저자 : 이상은

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학전망 23권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 55-58 (4 pages)

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6모노 음반으로 듣는 브람스의 바이올린 협주곡

저자 : 강정원

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학전망 23권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 59-60 (2 pages)

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동경공업대학 물질공학원 응용화학계의 靑木大輔 조교(JST연구원 겸임), 桑田繁樹准 교수, 大塚英幸 교수는 간편한 실험조작으로 원하는 분자골격을 환상의토폴로지(분자형태)로 변환하는 방법을 개발했다.
靑木 조교 등은 가열에 의해 안정라디칼을 발생하여 분자골격과 고리화 시키고 싶은 분자 골격을 중합반응을 통하여 화학적으로 연결시켜 선형고분자로 변환하여, 선형고분자를 희석 가열하여 선택적이고 간편하게 환상구조로 토폴로지 변환시키는 데 성공했다. 이 기술에 적용 할 수 있는 분자 골격은 저분자에서 고분자로 폭넓게 순환 구조의 양산화 및 그것을 이용한 재료 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.
분자량이 중간 이상의 환상 고분자도 포함하는 환상분자는 예로부터 다른 형태의 분자와는 다른 특이한 기능ㆍ특성을 발현하는 것으로 알려져 있다. 그러나 환상구조의 특이한 토폴로지는 합성이 어렵고, 순도문제가 발생하여 대량으로 합성하는 방법의 개발이 요구되고 있었다. 하지만, 본 연구를 통하여 대량합성의 방법이 개선될 것으로 전망된다.
연구성과는 2020년 1월 9일 Angewandte Chemie International Edition에 게재되었다.

8폐기 글리세롤에서 DHA와 수소 생산에 성공 지구상에 풍부하게 존재하는 저렴한 산화 구리를 촉매로 사용

저자 : 김선회

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학전망 23권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 62-62 (1 pages)

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도쿄공업대학 물질공학원 재료계의 林智広准 교수는 대만국립과학기술대학의Chia-Ying Chang교수 그룹과의 국제 공동 연구를 통해 바이오디젤의 생산과정에서 폐기물이 되는 글리세롤로부터 부가가치가 높은 디하이드록시아세톤(dihydroxyacetone, DHA)과 수소를 선택적으로 생산하는 기술개발에 성공했다. 저렴한 촉매인 산화구리(CuO)를 이용한 전기화학적 반응에 의해 달성했다.
바이오디젤연료(BDF)는 탄소중립 경유대체연료로 주목 받고 있지만, 그 제조 시 부산물로 원료의 10% 정도의 글리세롤이 생성된다. 이 글리세롤은 유효한 응용용도가 아닌 부가가치가 높은 물질로의 전환방법이 요구되고 있었다. 이 물질전환 연구에는 금, 백금 등의 귀금속이 촉매로 이용되고 있었지만, 지구상에 풍부하게 존재하는 저렴한 촉매가 요구되고 있었다.
본 연구의 성과는 지구상에 풍부하게 존재하며 저렴한 재료인 CuO를 촉매로 이용하여 바이오디젤의 생산 시 폐기물인 글리세린에서 화장품, 감미료 등에 사용되는 DHA와 수소를 선택적으로 제조하는 기술을 확립한 것이라고 할 수 있다. 특히 CuO촉매 표면에서의 화학 반응을 라만분광기를 이용하여 현장관찰하여 반응 메커니즘의 해명, 반응선택성을 극대화하기 위한 반응 조건의 최적화의 두 가지를 달성했다.
연구결과는 2019년 12월 19일 Applied Catalysis B : Environmental 온라인 속보판에 게재되었다.

9유기 반도체의 결정 구조를 효율적으로 제어하는 고성능 유기 반도체 분자 설계가 가능하게

저자 : 김선회

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학전망 23권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 63-64 (2 pages)

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이화학연구소 응급물성과학연구센터 응급분자기능연구팀의 체규안ㆍ원 특별연구원, 瀧宮和男 팀 리더들의 공동연구그룹은 결정구조 중의 분자간 상호작용의 이방성에 주목, 유기분자의 구조를 정밀하게 설계함으로써 유기반도체의 배열 및 결정 구조를 유효하게 제어 할 수 있다는 것을 발견했다.
본 연구성과는 디스플레이백플레인과 ID태그 등의 전자 장치를 위한 고성능 유기반도체의 개발에 기여 할 것으로 기대된다.
지금까지 가볍고 유연한 전자장치 등의 제조를 위한 높은 캐리어 이동도를 가지는 유기반도체의 실현을 목표로 다양한 유기분자 혹은 고분자재료가 개발되어 왔다. 그러나 그들 중 대부분은 개별분자의 설계에 주안점을 두었고, 개별분자의 응집상태인 결정구조에 대한 제어에는 큰 관심이 없었다.
이번 공동연구그룹은 유기반도체로 자주 사용되는 황원자를 포함하는 방향족탄화수소화합물인 치에노아센의 유도체에 대해 단결정 X선 구조해석에서 얻어진 결정구조를 바탕 크리스탈 중 분자 사이에 작용하는 상호작용을 조사했다. 그 결과, 간단한구조의 치환기의 종류와 위치에 따라 분자 간 상호작용이 크게 영향을 받는 것으로부터, 그 작업은 높은 이동성 자료에 어울리는 결정 구조로 제어 할 수 있는 것을 발견했다. 그리고 새로 개발한 치에노아센 분자의 결정을 이용하여 유기전계 효과 트랜지스터를 제작했는데, 4 cm2/Vs 이상의 높은 이동성을 보여주었다.
유기반도체재료의 결정구조는 몇 가지 유형이 있으며, 그 중 가장 높은 이동도를 나타내는 것이 루브렌이라는 반도체 분자구조인 '경사형 π 적층구조'이다. 경사형 π 적층구조는 판 모양의 분자구조를 가진 유기반도체분자가 분자의 장축을 기울여 쌓인 결정구조에서 분자의 적층방향에 높은 이동도를 발현한다. 그러나 이런 형태의 결정 구조는 루부렌 이외의 유기반도체분자는 거의 보이지 않기 때문에 경사형 π 적층 구조를 갖는 반도체분자를 개발하는 것이 유기반도체재료 연구의 오랜 과제였다.
공동연구팀은 단결정 X선 구조분석을 통해 황원자를 포함하는 방향족탄화수소화합물(치에노아센)의 유도체가 경사형 π 적층구조를 갖는 것을 발견하고 그 결정구조 중에서 치에노아센 분자 사이에 작용하는 상호작용에 주목했다. 그리고 결정 중에서 분자의 형태와 방향에 따라 수행하는 방식이 다르다는 점에 착안하여 판데르발스힘 등의 약한 분자 간 상호 작용이 결정구조에 미치는 영향을 검토했다. 그 결과, 티오기(-SMe)라는 간단한 구조의 치환기를 분자의 특정 위치에 도입하면 분자가 공간적으로 접근, 분자 간 상호작용이 유효작동 방향을 제어 할 수 있는 것을 발견했다.
그렇다면 이 분자설계 지침하에 π 확장 치에노아센 분자를 새롭게 합성하여 실제로 루부렌 경사 π 적층 구조를 갖는 것을 실험적으로 밝혔다(Figure 왼쪽). 또한 이 분자활성층을 이용한 유기 전계 효과 트랜지스터를 제작했는데, 4 cm2/Vs 이상의 높은 이동도를 나타내는 것을 알 수 있었다(Figure 오른쪽). 이 이동도는 동일한 조건으로 제작한 루부렌 유기전계효과 트랜지스터의 이동도 같은 정도이기 때문에 이 결정 구조제어방법이 높은 이동도의 유기반도체 재료의 개발에 매우 효과적임을 확인하였다.
본 연구는 영국왕립 화학회의 과학 잡지 Chemical Science 온라인 판에 게재 예정이다.

10토호쿠大 외, 높은 내구성을 갖는 다이아몬드 형 카본(DLC)의 설계 지침 제안 - 슈퍼컴퓨터 'MASAMUNE-IMR'에 의한 성과 -

저자 : 소대섭

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학전망 23권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 65-65 (1 pages)

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일본 토호쿠대학(東北大學) 금속재료연구소, 토호쿠대학 대학원 공학연구과, 프랑스 Ecole Centrale de Lyon 등의 공동 연구그룹이 토호쿠대학 금속재료 연구소에 도입된 슈퍼컴퓨터 'MASAMUNE-IMR'를 활용하여 DLC (diamond-like carbon)의 마모를 유발하는 원인인 'Triboemission'의 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. DLC는 다이아몬드와 유사한 초저마찰 재료로 우주 정거장과 항공기 엔진 등의 기계 시스템에의 응용이 기대되고 있다. 연구진은 DLC의 성분과 주위 환경을 제어함으로써 마모가 감소된다고 제시, 높은 내구성을 갖는 DLC의 설계 지침을 공개했다. 본 연구 성과는 기계 시스템의 수명을 연장할 뿐만 아니라 고장ㆍ사고 방지에 공헌할 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 2019년 11월 15일 Science Advances에 게재되었다.

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KCI등재

한국수소 및 신에너지학회논문집
31권 5호 ~ 31권 5호

공업화학전망
23권 5호 ~ 23권 5호

NICE (News & Information for Chemical Engineers)
38권 5호 ~ 38권 5호

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Korean Chem.Eng.Res.(화학공학)
58권 4호 ~ 58권 4호

KCI등재 SCOUPUS

공업화학
31권 5호 ~ 31권 5호

한국공업화학회 연구논문 초록집
2001권 0호 ~ 2001권 0호

한국공업화학회 연구논문 초록집
2002권 0호 ~ 2002권 0호

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접착 및 계면
21권 3호 ~ 21권 3호

고무기술
21권 2호 ~ 21권 2호

고무기술
21권 3호 ~ 21권 3호

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Elastomers and composites
55권 3호 ~ 55권 3호

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신재생에너지
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13권 1호 ~ 8권 4호

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신재생에너지
5권 1호 ~ 6권 4호

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신재생에너지
12권 0호 ~ 4권 4호

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신재생에너지
11권 1호 ~ 11권 4호

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화약발파
38권 3호 ~ 38권 3호

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신재생에너지
1권 1호 ~ 2권 4호
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