경상국립대(GNU·총장 권순기) 융합기술공과대학 에너지공학과 안건형 교수팀(스마트에너지재료연구실, 지도교수)이 에너지공학과 4학년 유근 학생이 단독 1저자로 참여한 논문이 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'(IF 13.2, JCR 상위 2.4%) 최신호(434 (2022) 134738)에 게재됐다.
논문 제목은 '초기 안정화 과정이 필요 없는 아연-이온 배터리용 물이 삽입된 바나듐 산화물 양극 연구(Nano-sized split V2O5 with H2O-intercalated interfaces as a stable cathode for zinc ion batteries without an aging process)다.
제4차 산업혁명 시대, 모든 것이 연결되는 초연결 시대가 도래함에 따라 적재적소에 에너지를 공급해주는 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)의 사용 용도가 늘어나고 있지만, 화재 및 폭발이라는 치명적인 사고가 계속해서 발생하고 있다.
화재의 주요 원인은 반응성이 높은 리튬 및 가연성의 전해질이다. 아연-이온 배터리는 안정적인 아연금속과 물에 기반한 전해질을 사용하기 때문에 화재·폭발 위험성이 없어 기존의 리튬이온배터리를 대체할 유력 후보군 가운데 하나로 이러한 장점을 토대로 미국·캐나다에서는 아연-이온 배터리 기술에 기반한 창업 열풍이 불고 있다.
기존 아연-이온 배터리의 양극 후보군으로 많은 에너지를 저장할 수 있는 바나듐 산화물(V2O5)이 제시되어 왔지만, 초기 충전·방전 과정에서 에너지 저장용량이 계속해서 증가하는 과정을 포함해 실질적으로 전자기기에 적용하기에 어려움이 따랐다. 따라서 안정적인 에너지 저장 특성을 보이는 망간 산화물(MnO2)이 양극으로 주로 사용되어 왔지만, 바나듐 산화물의 ~70%밖에 안 되는 에너지 저장 용량을 가지는 것이 단점으로 여겨졌다.
경상국립대 에너지공학과 연구팀에서 개발한 연구는 바나듐 산화물 양극에서 필수적으로 포함되는 초기 충전·방전 문제를 사전에 전기화학적 방법으로 물(H2O)을 바나듐 산화물 층간 격자 내에 포함하는 방법으로 해결했다.
이에 따라 배터리 사용 초기부터 안정적인 에너지 저장 성능과 함께, 200회 충전·방전 후 91%의 우수한 용량 유지율을 확보했다, 또한 배터리를 접고, 물에 넣고, 자른 후에도 화재 및 폭발이 일어나지 않고 정상적으로 작동하는 시작품을 성공적으로 제작했다.
이 연구는 경상국립대 에너지공학과와 세계적으로 저명한 영국 옥스퍼드 대학교(Dr. Bon-Ryul Koo)와의 공동연구로 수행해 얻은 결과물로, 원천기술을 선점해 학문적으로 시사하는 바가 크다. 또한 수행된 연구에 대해 경상국립대 기술비즈니스센터(센터장 김현준)의 도움을 받아 국내 특허 출원 절차가 진행 중이며 전문기술에 대한 지식재산권도 확보할 예정이다.
1저자로 참여한 유근 학생은 "항상 좋은 경험과 가르침을 주시는 지도교수님께 감사드린다"며 "이번 연구에서 현재까지 큰 문제가 되고 있는 이차전지의 안전 문제를 해결하기 위해 노력했고 앞으로도 안전한 차세대 이차전지를 개발하기 위해 노력할 것이다"라고 말했다.
안건형 교수는 "최근 ‘ESS의 화재·폭발’이라는 문제점을 해결할 수 있는 원천기술을 국내 기술로 개발한 것으로 폭발·화재의 위험이 없는 안전한 차세대 배터리로서 주목받을 것으로 기대된다"며 "학부생이 연구에 참여해 석·박사과정생들과 함께 공동저자로 SCI 국제학술지에 논문을 게재한 사례는 드물게 있으나, 이처럼 학부생이 수업과 병행하며 스스로 연구를 수행해 SCI급 학술지에 1저자로 논문을 게재하는 경우는 흔하지 않은 일이며, 미래가 기대되는 연구자다"라고 말했다.
진주=강연만 기자 kk77@kukinews.com
◆경상국립대, 기후변화 주범 온실가스...신기술로 감시한다
경상국립대(GNU·총장 권순기) 미래융복합기술연구소(소장 장해남 에너지공학과 교수)는 탄소중립 목표를 달성하기 위한 기상·기후 분야 신기술과 광전소자 분야 신기술의 상호협력 체계를 구축하기 위해 기상청 국립기상과학원(원장 김성균), 한국생산기술연구원 융합기술연구소(소장 남창우), 미국 오리건주립대학교(Oregon State University) 건설공학부(School of Civil and Construction Engineering; 학과장 Zach Gill)와 업무협약(MoU)을 체결했다고 밝혔다.
이번 협약에서 참여 기관들은 경상국립대 미래융복합기술연구소(에너지공학과 정현영 교수)에서 보유한 나노광전소자 개발 및 분석기술과 국립기상과학원이 개발해 보유한 온실가스 전량농도 측정기술(신소재)을 융합해 탄소배출 저감 기술에 활용하기 위한 협력시스템을 구축하기로 했다.
협약의 주요 내용을 살펴보면 △저비용 고정밀 온실가스 관측 센서 개발 △신물질(그래핀) 기반의 광소자화 기술 개발 △고밀도 온실가스 네트워크 구축 및 과학적 감시 정보 지원 분야의 연구 협력 강화 등이다.
이번 협약으로 경상국립대, 국립기상과학원, 한국생산기술연구원 및 오리건주립대는 4자 간 협력체계를 구축해 새로운 패러다임의 저비용 고정밀 온실가스 감시 센서기술을 개발한다.
특히 경상국립대는 국립기상과학원의 신물질 기반 신호감지 기술을 도입해 광학기반 비접촉식 온실가스 검출을 위한 신기술과 과학적 감시정보 체계 구축에 협력하게 된다.
김성균 국립기상과학원 원장은 "이번 협약을 통해 온실가스 감시기술 고도화로 탄소중립 노력 당위성 및 시급성 공감 제고에 이바지하는 것은 물론, 국립기상과학원이 가지고 있는 기술을 국내외로 확산함으로써, 세계적 수준의 기상·기후 연구기관으로서 위상을 높일 것이다"라고 말했다.
박광석 기상청장은 "우리나라의 기상·기후 기술력 도약에 대표적인 사례로 국립기상과학원과 국내외 유수 기관들과의 기술협력을 확대하는 계기가 되길 바란다"고 말했다.
경상국립대 장해남 교수는 "탄소 저감은 전 세계가 당면한 중요한 이슈임에도 불구하고 온실가스를 측정하는 시스템은 한정된 지역에 구축돼 있어 통계치에 의존할 수밖에 없었는데, 이번 협력으로 국내의 실제적인 온실가스 검출 및 저감에 직접적으로 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
