보도자료

2023. 3. 20 (월) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

차세대 해수전지의 성능, 검은색 옷 입혀 대폭 증가시킨다!

UNIST 이동욱 교수팀, 티타늄 표면에 TiC로 코팅해
탄소집전체 부식 억제를 통한 성능 향상… Adv. Func. Mater. 게재

슈퍼히어로 영화에는 항상 연약하거나 평범한 주인공이 등장한다. 이런 주인공은 특정한 계기를 통해 “슈트”를 장착하면서 특별한 능력을 갖게 된다. 최근, 이런 흥미로운 현상을 착안해 진행된 연구가 있어 주목받고 있다.

UNIST(총장 이용훈）에너지화학공학과 이동욱 교수는 해수전지에서 집전체로 쓰이는 티타늄(Ti)의 표면에 티타늄카바이드(TiC)라는 검정색 슈트를 입혀 해수전지의 성능을 대폭 증가시키는 기술을 개발했다. 특히, 이 과정에서 탄소집전체의 부식현상(corrosion)이 억제됨을 발견했다. 이를 체계적으로 분석해 향후 새로운 해수전지 금속 집전체 연구의 설계에 도움이 될 전망이다.

집전체는 전자가 이동하는 통로가 되는 소재를 일컫는다. 그 중 해수전지의 양극 집전체는 탄소 집전체와 티타늄 금속 집전체로 이뤄져 있다. 티타늄 금속 집전체는 해수와 작용했을 때 안정성이 높아 널리 사용되고 있다.

하지만 해수전지 및 다른 전지들에서 종종 발생하는 탄소집전체의 부식현상은 전지의 싸이클 안정성을 약화시키는 주요 원인으로 꼽힌다. 따라서 높은 안정성을 갖기 위해 탄소집전체의 부식을 억제하는 것은 무엇보다 중요하다.

연구팀은 이런 집전체의 부식을 막아 해수전지의 효율을 높이기 위한 방법을 고안했다. 연구팀이 개발한 TiC를 코팅한 티타늄(Black　Ti)은 해수환경에서 화학적, 전기화학적, 기계적 안정성을 보였다. 개발한 집전체를 해수전지에 이용할 경우 coin 타입 셀은 기존 대비 사이클의 성능은 4배, 출력 성능은 30% 향상됐으며 전압 간격은 20% 수준으로 감소했다. 또한 대용량 셀인 prismatic 타입 셀에도 적용에도 성공해 출력 성능이 15% 증가하고 저항과 전압 간격은 각각 25%, 20%가 감소한다는 결과값을 도출했다. 연구팀은, 성능 향상 요인이 탄소집전체의 부식을 억제하는 것에서 기인하였음을 정량적, 정성적으로 확인했다.

제 1 저자인 조윤종 연구원은 “해수전지는 바닷물을 양극물질로 이용한 차세대 배터리 시스템이다”며 “이번 연구를 통해 간단한 방식으로 제작한 집전체가 해수전지뿐 아니라, 연료전지, 플로우 전지, 금속 공기 배터리 등의 상용화를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF), 한국에너지기술평가원(KETEP)과 UNIST의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 권위적 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 ‘Advanced functional materials’에 온라인에 2월 20일 게재됐다.

(논문명: Prevention of carbon corrosion by TiC formation on Ti current collector in seawater batteries.)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

에너지화학공학과: 이동욱 교수 (052)217-2594

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

차세대 해수전지에 쓰이는 탄소집전체는 OER(산소생성반응)/ORR(산소환원반응)이 일어나는 반응 장소가 되는 측면에서 중요한 물질이다. 하지만, 수용성 전해질의 고전압에서 전기화학적으로 취약한 단점을 가진다. 그동안 탄소집전체에 촉매를 결합하여 집전체의 과전위를 줄여 집전체의 열화를 억제하는 연구가 많이 수행되어왔다.

티타늄 집전체는 탄소집전체와 함께 이용이 되며 주로 전자전도의 역할을 수행한다. 그동안, 티타늄은 중요한 반응인 OER/ORR의 반응 장소가 되는 탄소집전체에 비해 덜 주목을 받아왔다.

2. 연구내용

본 연구에서는, 간단한 탄소 확산 방법 (carbon diffusion technique)를 통해, OER 또는 ORR의 촉매로 이용이 되는 TiC를 형성하였다. 본 연구에서는, 탄소 열화와 관련한 OER 과전위를 줄여주는 것으로 확인하였다. 이 뿐만아니라, 탄소 집전체와 티타늄 사이의 접촉 계면을 증가시켜 접촉저항을 현저하게 저하시켰다.

이러한 두 가지 효과로 인해, 전반적인 과전위를 감소시켜 탄소집전체의 부식을 억제하며 coin 타입 셀은 기존 대비, 사이클 성능 4배 향상, 전압 간격 20% 수준 감소, 출력 성능 30% 향상되었다. 이뿐 아니라, 대용량 셀인 prismatic 타입 셀에도 적용에 성공하고 출력성능 15% 증가, 저항 25% 감소, 전압 간격 20% 감소의 효과를 확인했다. 연구팀은, 성능 향상 요인이 탄소집전체의 열화를 억제하는 것에서 기인하였음을, SEM, EDS, DEMS 장비를 통해 확인하였다.

3. 기대효과

탄소집전체와, 금속 집전체를 함께 이용하는 시스템인, 연료전지, 플로우 전지, 금속 공기 전지 등의 적용에 기대해볼 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 전기화학적 질량 분석기 (Differential Electrochemical Mass Spectrometer, DEMS)

전기화학반응을 통해서 생성되는 기체나 휘발성 물질의 측정을 위해 개발된 제품

2. 산소 발생 반응 (Oxygen evolution reaction, OER)

일반적으로 물에서 산소를 생성하는 화학반응

3. 산소 환원 반응 (Oxygen reduction reaction, ORR)

산소가 물 또는 과산화 수소로 환원되는 화학반응

4. 선형주사전위법 (Linear sweep voltammetry, LSV)

작업전극의 전위를 초기전위에서 양 또는 음의 방향으로 일정속도로 변화시켜서 전류-전위 곡선을 측정하는 방법

5. 티타늄카바이드 (Titanium carbide, TiC)

단단한 세라믹 물질의 한 종류도 검정색을 띄고 있으며, 소금입자처럼 면심 입방 구조를 갖고 있음

6. 주사형 전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)

가느다란 전자빔을 시료 표면에 주사시켜 2차 전자를 발생하게 하여 입체감 있는 시료의 표면상을 얻기 위한 장치

7. 에너지 분산형 X-선 분광법 (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)

시료에서 방출되는 특성 X-선을 검출하여 물질의 화학적 조성을 분석하는 기법

[붙임] 그림설명

그림1. 기존의 티타늄 (Normal Ti)을 쓴 경우와 TiC를 코팅한 티타늄 (Black Ti)를 쓴 경우 배터리 전자 이동 비교

기존의 티타늄 집전체의 경우 탄소 집전체와 같이 이용할 경우, 티타늄의 매끄러운 표면에 의해 두 물질 사이에서 contact area가 적게 발생하고, 전류가 국부적으로 흘러 과전압을 유발한다. TiC를 이용한 티타늄의 경우 contact area를 넓혀주어 전자의 이동을 원활하게 해서 계면의 과전압을 줄이는 효과를 보인다.

그림2. 기존의 티타늄 (Normal Ti)을 쓴 경우와 TiC를 코팅한 티타늄 (Black Ti)를 쓴 경우 배터리 촉매 효과 비교

기존의 티타늄 집전체의 경우 전자 이동의 역할만을 수행한다. 반면, Black Ti의 경우 전자 이동 뿐 아니라, OER/ORR의 반응이 일어날 수 있는 반응 site가 될 수 있다. 이를, LSV의 OER/ORR potential 전류를 통해 확인 했다.

그림3. 기존의 티타늄 (Normal Ti)을 쓴 경우와 TiC를 코팅한 티타늄 (Black Ti)를 쓴 경우 탄소집전체 열화 비교

기존의 티타늄의 경우 EDS와 DEMS 장비를 통해 탄소집전체 열화를 나타내는 CO2의 생성이 더 많이 일어난 것을 알 수 있다. 반면에, Black Ti의 경우는 계면저항의 완화 효과와 OER/ORR 효과로 인해, 두 계면 사이의 과전압을 완화하고 탄소집전체의 부식을 억제하는 데 성공하였다.

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