★ 8월 14일(화) 조간부터 보도하여 주시기 바랍니다.

보도자료 2012. 8. 14(화)	교육과학기술부 Ministry of Education, Science and Technology
	나노기반 정보․에너지 사업본부 Converging Research Headquarter for Nanotechnology-based Information·Energy
	교육과학기술부 홍보담당관실 ☏ 02-2100-6580 나노기반 정보․에너지 사업본부 ☏ 042-860-7922

<자료문의> ☎ 02-2100-6843 융합기술과 손영석 사무관

☎  052-217-2910/010-4192-8817 울산과학기술대학교(UNIST)

친환경에너지공학부 조재필교수

전기자동차 1분 충전시대 열린다

- “앙게반테 케미 국제판’발표 ,“리튬이차전지 1분 이내 충전가능한 전극소재 원천기술개발”

□ 기존의 리튬이차전지 기술에 비해 충전 시간을 최소 30분의 1 ~ 최대 120분의 1로 단축시킬 수 있고, 단 6초만에 50%의 전지용량을 사용할 수 있는 전극소재 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.

○ 울산과학기술대학교(UNIST)의 친환경에너지공학부 조재필 교수가 주도하고 이상한 박사과정생 등이 참여하여 금번에 개발한 신기술은 교육과학기술부가 지원하는 ‘신기술융합형 성장동력사업’을 수행하는 과정에서 일궈낸 연구결과로서 화학분야의 권위있는 학술지인 ‘앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)’에  8월 8일자로 게재되었다.

○ 특히 이번 논문은 혁신적인 연구 결과와 이차전지소재 분야의 파급효과를 인정받아 HOT PAPER로 선정되는 영예도 함께 안았다.

※ 논문명 : 「Carbon-Coated Single-Crystal LiMn2O4 Nanoparticle Clusters as Cathode Material for High-Energy and High-Power Lithium-Ion Batteries」

□ 조재필 교수팀이 개발한 신기술은 리튬이차전지*의 출력과 용량을 동시에 획기적으로 높인 새로운 양극소재 합성법이다.

○ 일반적으로 이차전지용 전극소재는 분말 형태인데 이 분말 입자의 크기를 줄임으로써 충방전 속도를 빠르게 할 수 있지만 이는 곧 전극의 밀도를 떨어트려 전지의 용량은 줄어들게 되는 단점이 있다.

○ 본 연구 에서는 유기용매를 첨가한 수열 합성법으로 20나노 크기의 미세 입자(1차)를 낮은 온도에서 단시간에 제조하였고,

- 수열 합성법 : 액상 합성법의 하나로 물 또는 수용액을 이용하여 고온고압 하에서 물질을 합성하는 방법을 말함 (압력밥솥과 비슷한 원리). 본 연구에서는 끓는점이 낮은 유기 용매(에탄올 메탄올 등)를 추가하여 더 낮은 온도에서 단시간에 활물질 미세입자를 제조 하였음.

○ 수크로즈 라는 흑연전구체가 포함된 용액에 충분히 분산 시킨 후 재 응집 시켜 내부에 흑연 전구체가 포함된 적절한 크기의 2차 입자를 제조 하였다. 이를 약 600도에서 열처리하게 되면 2차입자 내부의 수크로즈가 흑연화 되면서 입자내부에 전도성 네트워크가 형성 되게 되고 동시에 나노 미세입자의 높은 표면 에너지로 인하여 분말의 밀도가 높아지게 된다. 일반적인 활물질의 경우 충방전 반응(전기화학반응)이 표면부터 내부에 까지 순차적으로 일어나는 반면 분말 내부에 흑연 네트워크가 형성된 경우에는 분말 내부의 모든 미세입자들이 동시다발적으로 반응에 참여하여 매우 빠른 충방전이 가능 해진다.

○ 연구팀은 이같은 방법을 양극소재 합성법을 개발하여 전극의 밀도를 높이면서(기존 나노소재 대비 1.4배 상승) 동시에 수득률이 높고(기존 나노소재 대비 1.2배 상승) 화학적으로 손쉽게 합성할 수 있을 뿐 아니라  충전시간을 기존의 기술에 비해 획기적으로 단축시킬 수 있고 짧은 시간(6초)에 50%의 전지용량을 사용할 수 있는 전극소재 원천기술개발에 성공하였다.

□ 조재필 교수는 ‘본 연구는 현재 리튬이온 이차전지의 충방전 속도의 한계를 뛰어넘을 획기적인 사례이며 이 같은 방법을 다양한 물질에 적용하여 이차전지 전극물질 제조에 도입함으로써 1분내 완전 충전 가능한 전기자동차용 이차전지의 개발에 한층 더 다가설 것’이라고 연구 의의를 밝혔다. 또한 관련 기술은 국내외 특허 출원을 완료하였다고 밝혔다.

붙    임 : 1. 연구결과개요

2. 용어 및 사진 설명

3. 조재필 교수 주요 이력

연 구 결 과 개 요

Carbon-Coated Single-Crystal LiMn2O4 Nanoparticle Clusters as Cathode Material for High-Energy and High-Power Lithium-Ion Batteries

Sanghan Lee, Yonghyun Cho, Hyun-Kon Song, Kyu Tae Lee, and Jaephil Cho (Angewandte Chemie International Edition, 2012. 8. 8. 온라인 속보판 게재 )

1. 연구배경 및 내용

현재 리튬이온전지는 어플리케이션의 확대와 더불어 더욱 더 빠른 충방전 특성이 요구되고 있다. 특히 순수 전기자동차가 널리 보급 되기 위해서는 내연기관 자동차에 가솔린을 넣는 것처럼 수분 내에 충전이 완료되어야 한다. 일반적으로 리튬이온전지의 충방전 속도는 양극 또는 음극 활물질의 크기를 줄임으로써 향상될 수 있지만 이 경우 전극의 밀도가 떨어지게 되어 전지의 용량이 줄어들고 전극 제조 공정상의 문제가 생긴다.

본 연구에서는 나노 1차 입자로 이루어진 마이크로 2차 입자를 제조하고 내부에 전도성 흑연 네트워크를 형성함으로써 나노 사이즈 이펙트를 유지하면서 동시에 매우 높은 밀도를 가지는 양극 활물질을 개발하였다. 이는 현재 리튬이온 전지의 충방전 속도의 한계를 뛰어 넘을 수 있는 양극 활물질의 원천기술을 확보하였음은 물론, 충방전 속도를 더욱더 향상 시킬 수 있는 메커니즘을 제시하여 1분 이내 충전이 가능한 전기 자동차용 전지 개발에 한층 더 다가설 수 있게 되었다.

리튬이차전지의 세계시장 규모는 2010년도 기준 100억 달러를 돌파하였으며, 올해는 전기자동차용 중대형전지시장의 확대로 200억 달러를 돌파할 것으로 예상하고 있다. 특히 이중 전극소재 시장은 80억 달러에 달할 것으로 예측되며 이중 스피넬(spinel)시장 규모는 30억 달러 이상으로 예측된다. 이번의 원천기술개발은 지적재산권의 선점 차원에서 가장 중요한 이슈로 부각되고 있다.

2. 연구결과

그림 1. 활물질 제조 공정과 2차입자 내부의 전기화학적 반응 경로에 대한 모식도

이번 실험에서 20 나노미터 크기의 스피넬 구조를 가지는 양극재를 합성하고 이를 수크로즈라는 카본전구체를 용액에서 분산시킨 후 건조 단계에서 적절한 크기(약 5 마이크로미터)로 재 응집시켜 이차 입자를 만들었다 (a. 좌측). 약 600oC 의 온도에서 단시간 열처리를 하게 되면 이차입자 내에 있던 수크로즈가 흑연화 되면서 입자 내부까지 전자가 쉽게 이동할 수 있는 경로를 제공할 뿐만 아니라 1차입자의 높은 표면 에너지로 인하여 고밀도 입자가 형성된다 (a 우측과 b).

2차 입자내 생성된 카본층은 모든 1차 입자들이 동시 다발적으로 전기화학반응에 참여하도록 유도하여 매우 빠른 충방전이 가능해 진다.

그림 2. 충방전 율특성 비교.  a) 충전 율특성  b) 방전 율특성

CSC-NPs : 카본 코팅된 단결정 나노클러스터

QSC-NPs & PC-MPs : 대조군

이 물질을 리튬이차전지에 적용하여 평가한 결과 상용화된 전지 수준을 능가하여 충전 시간을 최소 30분의 1 ~ 최대 120분의 1로 단축시킬 수 있고 (a) 단 6초 (300배의 전류) 만에 50%의 용량을 사용할 수 있는 매우 높은 고출력 특성을 보였다(b).

3. 연구의 의의

기존에 발표된 논문에서는 전지의 출력 특성에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 전극 물질 자체의 전기 화학적 반응 속도에 중점을 두었었다. 하지만 본 연구에서는 실제 리튬이온 이차전지의 경우 전극물질 자체의 전기화학적 반응 속도 보다 입자 내부에 균등한 전자 이동경로를 제공하는 것이 전지의 출력 특성을 높이는데 더 중요한 요소임을 증명하였다.

용 어 및 사 진 설 명

1. 신기술융합형 성장동력사업 : 교육과학기술부가 5~10년 후 우리 경제를 선도할 신성장동력사업으로 2009년 7월부터 추진하는 사업으로 미래 성장 잠재력을 확충하기 위하여 NT·BT·ET 등 이종기술을 융합하여 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 융합형 원천기술개발을 위한 연구사업임.

2. UNIST(Ulsan National Institute of Science and Technology) : 과학기술특성화대학으로 첨단융합학문분야의 창의적 글로벌 리더를 양성하는 한편 인류의 삶에 공헌할 수 있는 기초과학과 원천기술 개발연구를 선도하고자 2009년 3월에 울산광역시에 설립된 국내 최초의 법인화 국립대학임.

3. 리튬이차전지 : 현재 이차전지 시장에서 대부분을 차지하는 전지로, 한 번 쓰고 버리는 일차전지와는 달리 외부전원을 이용해 충전해서 반영구적으로 사용하는 전지로서 충전이 가능하기 때문에 충전식 전지(Rechargeable battery)라고도 한다.

4. 양(음)극활물질 (전극소재) : 배터리의 (+)극에서/(-)극에서 전기화학적 반응을 일으키는 물질임.

5. 수득률 : 이론적으로 생성되어야 할 양과 실제 얻어지는 양의 비를 의미하며 수득률이 이론치에 가까울수록 생산성이 향상됨. 수득률이 100%가 되지 않는 이유는 반응시간이 부족하거나, 부반응이 일어나 목적물질 이외의 물질을 생성하거나, 기술적으로 취득하기가 곤란한 점 등이 있음.

6. 율특성 : 전지의 충전 또는 방전 속도를 의미. 임의로 전류를 빨리 흘리게 되면 전지의 반응 속도가 이에 미치지 못하여 용량이 급격하게 감소함.  1C 는 일반적으로 전지의 용량에 해당하고 이는 한 시간 동안 흐를 수 있는 전류를 의미함. 2C, 10C, 100C 는 각각 2배, 10배, 100배에 해당하는 전류임.

7. 1차 입자 & 2차 입자 :

1차 입자(a)는 가장 미세한 입자를 말하며 표면 에너지가 높아 건조 과정에서 응결하여 덩어리가 되는데 이를 2차 입자라고 한다. (b) 1차 입자로 구성된 2차 입자의 표면. (c) 는 2차 입자들.

8. 자세한 그림 또는 설명 필요: UNIST(울산과기대) 친환경에너지공학부 조재필 교수에게 연락요망 (052-217-2910/010-4192-8817)

조재필 교수 주요 이력

1995년 아이와 주립대 세라믹 공학 박사취득

1996년 조지아 공대 박사후 연구원

1996년- 2002년 삼성 SDI 책임연구원

2002년 - 2008년 금오공과대학교/한양대학교 교수

2009년-현재  울산과학기술대학교 친환경에너지공학부 교수/학부장

2009년 - 현재 신기술융합형 성장동력사업 연구단장 (교과부)

2011년 -현재 ITRC 센터장 (지경부)

2011년-현재 에너지분야의 권위지인 Advanced Energy Materials지와 Energy and Environmental Science지에 편집자문위원

지난 7월 달에는 Advanced Energy Materials지에 초청편집장으로 배터리물질 특집호를 한국인으로는 최초로 발간하였고 MIT, 조지아공대, 막스-프랑크, 동경공대, LG화학등의 전지전문가들이 투고한 논문들이 게재됨