서강대학교 “에너지 저장 소재 및 시스템 연구실” (류재건 교수)

연구실 개요

에너지 저장 소재 및 시스템 연구실 (Electrochemical Energy Engineering Lab)에서는 열-화학-역학적 (Thermo-chemo-mechanical) 합성법을 응용하여 나노 구조화된 유/무기 소재를 개발하고, 이를 차세대 에너지 저장 장치에 적용 (활물질, 바인더, 분리막, 전해질, 전극, 집전체 등)하는 연구를 진행 중이다. 배터리 전지 소재의 경우, 전기화학적 충방전 시 발생하는 기계적/물리적 변화를 분석하는 것이 중요하다. 이를 위해 실시간 (in situ or operando) 분석을 진행하여 에너지 저장 메커니즘 이해를 바탕으로 한 신소재 설계 연구 또한 수행 중이다.

주요 연구내용 소개

1. 고용량 전극 소재 개발

1) 퓨어 실리콘 음극 적용 가능성 연구
흑연 대비 부피팽창이 큰 (>300%) 실리콘 음극으로만 구성된 고용량 전극 개발을 위해 다양하게 구조화된 실리콘 음극 개발 연구를 진행하고 있다 (그림 1). 차원의 복합화, 낮은 전자 전도성 문제 해결을 위한 헤테로 원소가 도핑된 구조 구현, 분자 단위로 혼합된 복합체 등을 열환원법, 열분해법, 자기조립 등의 방법을 통해 합성하고 이를 이용해 상용화 수준의 전극 밀도 (용량)을 가지는 전극을 구성하여 전지 평가를 수행한다.

2) 상용화 가능한 자가 치유 고분자 바인더 연구
퓨어 실리콘 전극의 상용화를 위해 높은 응력을 완화하고 지속적인 충·방전 과정에서도 우수한 결집력과 안정성을 확보할 수 있는 자가 치유 고분자 개발이 필수적. 이를 위해 다양한 소재 화학 기반의 자가 치유 고분자 개발을 수행한다 (그림 2). Natural Polymer의 자가 치유 능력을 향상하고 동적 결합을 유도할 수 있는 가교제 개발, 코아세르베이션 현상을 이용한 전하 고분자 기반 자가 치유 등을 활용하고 있다. 이 외에도 실리콘 음극의 계면 안정화, 고체 전해질과의 호환성을 향상하기 위한 연구를 수행한다. 이를 통해 CO2, CH4 등의 유해한 C1 가스 생성을 억제할 수 있다.

2. 기능성 분리막 소재 개발

전해질이 함침되어 있는 분리막 내 리튬 이온 전달 특성을 향상하고, 전지 구동 시 발생한 부산물의 분자체 역할을 할 수 있는 분리막 개발 연구를 수행한다 (그림 3). 특히, 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전지에서 음극 표면에서 발생하는 다양한 부산물 및 전기화학적 부반응으로 인한 가스 발생 (CO2, CH4 등)을 억제하여 전지 팽창을 막고 안정성을 확보하는 연구를 수행 중이다.

3. 차세대 전지 시스템 연구

리튬이온배터리가 가지는 제한적 에너지밀도 문제 해결을 위한 다양한 종류의 차세대 전지 시스템 개발 연구를 수행한다 (그림 4). 음이온을 전하 저장 매개체로 활용하는 듀얼이온 전지 개발을 통해 고전압 (>5V) 전지 개발할 수 있고, 다가 금속 음극 또는 Na/K-이온을 활용하여 전지의 지속 가능성 확보와 가격 경쟁력 확보할 수 있으며, 초경량 유연 전지 구현을 위한 유기 전극 소재 개발 연구를 수행 중이다.

연구실 현황

에너지 저장 소재 및 시스템 연구실은 류재건 교수님을 비롯하여 석·박사통합과정 학생 1명, 학부 연구생 4명 (대학원 입학 예정 2명 포함)으로 총 6명으로 구성되어 있다. 현재 서강대 소속으로 SCI급 논문 6건 (총 44건) 게재, 특허출원 1건 (총 10건), 산학협력 연구 등의 우수한 연구 실적을 올리고 있다. 류재건 교수님의 지도하에 개발한 차세대 전지용 소재 개발을 통해 국내외 연구진들의 주목을 받고 있고, 관련 분야 내 선도 그룹으로 성장하고 있다.