[화제인터뷰] 윤하나 에기연 박사 "리튬전지 한계 극복할 방안 찾다 하버드 김필립 교수가 해봐...그래서 시작됐다"

그래핀 분야 세계적 석학 하버드대 김필립 교수가 제안...2017년부터 시작, 2018년부터 국제공동프로그램으로 연구 

[산경e뉴스] 리튬이온배터리에 비해 안전성이 뛰어나고 장시간 사용이 가능한 알루미늄 이온 배터리를 개발한 에너지기술연구원 윤하나 박사와 긴급 인터뷰를 진행했다. 

윤하나 에기연 박사.

윤 박사는 그래핀 분야 세계적 석학인 김필립 하버드대 교수가 효율이 뛰어난 배터리 개발을 제안해 연구에 착수했다고 밝혔다. 다음은 일문일답니다.  

Q. 알루미늄 이온 배터리 연구를 시작한 계기나 배경은.

리튬이온배터리는 다른 배터리에 비해 가볍고 높은 에너지 밀도로 고용량, 고효율 구현이 가능해 소형 가전, IT 디바이스부터 전기자동차, ESS 등에 이르기까지 다양한 분야에서 두루 쓰이고 있다. 

하지만, 자원 수급의 불균형과 제한된 공급자에 의한 가격 상승으로 인한 가격 절감의 어려움, 긴 충전시간, 짧은 수명과 폭발 위험성 등 리튬이차전지가 지니고 있는 치명적인 단점들이 여전히 존재한다.

이차전지 분야를 연구하는 연구자로서 이러한 리튬이차전지의 근본적인 한계를 극복할 수 있는 방안은 없을까? 하는 고민에서 리튬 자체를 사용하지 않는 이차전지 개발에 자연스럽게 관심을 갖게 됐다. 

그래핀 분야 세계적 석학인 하버드대 김필립 교수가 이같은 궁금증에 아이디어를 제공하고 연구를 제안해 주었다. 2017년부터 연구를 시작, 2018년부터 국제공동프로그램으로 연구를 시작했다. 

알루미늄은 풍부한 자원으로 자원 고갈의 문제가 없으며 가격이 매우 저렴하고 안전성이 매우 뛰어나다. 또한 낮은 인화성으로 대기 중에서 처리될 수 있어 배터리 제조 프로세스를 용이하게 할 수 있는 장점이 있다. 

이러한 점에서 알루미늄 이차전지는 굉장히 매력적인 연구 주제였고 이것이 연구를 시작한 계기가 되었다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.

알루미늄 이온 배터리의 인터컬레이션 반응 메커니즘과 관련해 국내외 여러 연구팀이 기존에 보고한 결과가 논쟁의 여지가 있었다.  이를 명확하게 규명하기 위한 방법을 모색했다. 

이온 인터컬레이션 역학 연구는 전극 소재의 구조 및 위상의 복잡성, 샘플의 이질성 등으로 인해 매우 어렵다. 

2차원 수 층 그래핀에서 3차원 흑연 플레이크에 이르기까지 제어된 차원의 단결정 흑연으로 메조스코픽(mesoscopic) 크기의 온칩-전기화학 셀을 제작하고 다양한 온도에 따른 실시간 전하 수송 측정 및 광학 현미경 분석을 수행했다. 또한 계산 과학 분야 연구진과의 협업을 통해 이를 검증했다.

연구팀은 알루미늄 이온 배터리의 온칩-전기화학 셀 기반의 실시간 전하수송 측정을 통해 전극 내부로의 이온 삽입과정을 부반응 없이 직접 조사할 수 있었다. 

관찰 결과를 기반으로 전극 성능 향상 인자를 도출하고 이를 바탕으로 그래핀/탄소나노튜브 신규 복합 양극을 개발하여 알루미늄 이온 배터리 셀 성능 평가를 수행했다. 

그 결과 기존에 보고된 열분해 흑연 양극보다 60% 이상 향상된 용량 값과 2.5배 높은 이온확산도를 보였다. 또한 2분 이내의 초고속 충전에도 초기 용량 대비 98%의 용량 유지율을 보이며 4000회 이상의 장수명 특성을 보였다.

Q. 연구를 진행하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지.

코로나19 팬데믹으로 인해 국내외 공동연구자간의 대면 소통이 불가능했던 점이 연구를 진행하는데 가장 어려웠던 점이었다. 주기적인 화상 회의를 깆고 연구의 완성도를 높이고자 노력했다.

출처 : 산경e뉴스(http://www.skenews.kr/news/articleView.html?idxno=34262)