미래지향적 유기 이차전지 시스템 개발 선두주자
미래지향적 유기 이차전지 시스템 개발 선두주자
  • 김남근 기자
  • 승인 2016.07.15 15:29
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[이슈메이커=김남근 기자]

미래지향적 유기 이차전지 시스템 개발 선두주자

 


실용적 연구 바탕으로 사람을 이롭게 하는 연구의 가치 실현

 


이온화 경향의 차이가 큰 두 전극의 전해질을 통한 가역적 산화·환원반응에 따른 전자의 이동현상을 이용하는 에너지 저장장치인 이차전지. 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공하는 장점을 갖고 있어 ESS, 웨어러블 디바이스, 전기자동차를 포함한 다양한 분야에서의 높은 활용성이 기대되고 있다. 지난 2013년 기준 이차전지 세계 시장은 550억 달러 규모였으며, 이중 에너지 밀도가 가장 우수한 리튬이온전지는 전체 시장의 90% 이상을 차지할 정도로 매우 높은 시장 가능성을 지니고 있다. 특히, 최근 들어 스마트 그리드가 큰 관심을 받고 있는 가운데, 리튬 이온전지는 휴대폰, 노트북과 같은 소형 모바일 디바이스에서 이와 같은 응용수단의 에너지 저장장치로 적용 분야가 확대되어 나가고 있다.


 

 

 

새로운 개념의 차세대 이차전지 시스템 개발

가까운 미래에 지상에 있는 리튬원료가 고갈될 것으로 많은 전문가들이 예상하고 있다. 급격하게 성장하고 있는 리튬 이차전지 시장의 확대와 맞물리며 이 같은 현상이 가속화될 것으로 전망되고 있고, 이로 인해 원료 가격이 대폭 상승할 수 있다는 예측이 나오고 있는 것이다. 특히, 전기차용 이차전지 시장은 2020년 약 200억 달러 시장을 형성할 것이란 보고가 나온 가운데, 전기차에 이차전지를 성공적으로 적용시키기 위한 기술적 한계를 극복해야만 하는 실정이다. 이에 리튬 이차전지가 갖는 여러 문제점을 해결하기 위해 새로운 개념의 이차전지 개발이 각광받고 있다. 그중 하나가 바로 유기 이차전지 시스템인데, 이는 유기물로 전극과 전해질이 구성되어 있어 원료 수급에 제한이 없으며 친환경적이라는 장점을 갖고 있다. 뿐만 아니라 가벼운 무게와 빠른 고속 충전율, 우수한 가변성, 높은 에너지 밀도는 물론 재활용이나 폐기가 용이하다는 특성도 지니고 있어 많은 연구자들은 이에 관한 연구를 펼쳐오고 있다. 하지만 전극이 유기물로 구성되다 보니 전기전도도가 낮아 실제 에너지 밀도가 낮고, 액체 전해질에 유기 전극 물질이 녹아 들어가 높은 자가-방전이나 전지의 단락을 일으킬 수 있다는 단점도 안고 있다. 이에 이 같은 단점을 해결하고자 국내 연구진이 새로운 개념의 차세대 이차전지 시스템을 개발해 세계 학계로부터 주목을 받았다. 
 

  청주대학교 태양광에너지공학과 김재광 교수 연구팀은 최근 울산과학기술원 김영식 교수와 함께 차세대 이차전지 시스템을 개발해 전체 저널 상위 1% 이내인 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’의 표지 논문을 장식해 큰 화제가 되고 있다. 김 교수는 이번 논문을 통해 유기 이차전지의 단점을 탄소나노튜브를 사용해 해결할 수 있는 새로운 기술을 개발한 것이다. 개발된 유기 전극은 높은 유기 활물질 함량을 보유하고 있어, 에너지 밀도를 현저하게 향상 시키며 자가-방전 없이 우수한 전기화학적 특성을 보이고 있다. 
 

  김재광 교수는 “유기 이차전지 시스템은 새로운 차세대 전지 시스템으로 언급되고 있지만, 세계적으로 이를 연구하는 그룹은 부족하며, 국내 역시 거의 전무한 실정입니다. 때문에 세계적인 추세 맞춰 상용화에 대한 투자보다는 전략적 발전 계획을 수립해 미래지향적인 이차전지 시스템을 개발할 수 있는 생태계 조성이 먼저 이뤄져야 한다고 생각합니다”라며 “이를 위한 시작점에 이번 연구가 불씨가 되길 기대하며, 많은 연구자들이 새로운 유기 이차전지 시스템에 대한 관심을 갖게 되길 희망합니다”라고 전했다.


 

▲(왼쪽부터 시계방향) 장소현, 박지현, 임지은 석사과정

 

 

리튬 대체 가능한 안정성 높은 새로운 대안 제시

국내 학계에서는 아직 많은 연구가 진행 중이지 않은 유기 2차전지에 대한 심도 있는 연구를 펼쳐오고 있는 김재광 교수. 그는 이 분야에 대한 연구의 풀을 넓히고 다양한 연구를 펼칠 수 있는 생태계 조성을 위해 동료 연구진들과 함께 연구에 매진하고 있다. 뿐만 아니라 유기 이차전지는 물론 해수 전지와 복합 전해질에 대한 연구를 펼쳐오고 있는데, 이를 바탕으로 이차전지의 안정성을 향상시키는 연구를 함께 진행해오고 있다. 
 

  특히, 최근 리튬 이차전지의 적용 범위가 소형에서 대형으로 확대됨에 따라 안정성의 문제가 큰 이슈로 떠오르고 있는데, 그중 전기차에서 리튬 이차전지의 안정성은 운전자의 생명과 직결되기 때문에 반드시 해결해야 할 문제로 대두되고 있다. 이는 리튬 이차전지의 불안정성은 액체 전해질의 발화 특성 때문인데, 이를 해결하고 안정성을 높이기 위해서는 액체 전해질이 다른 물질로 대체 되어야만 한다. 이에 김 교수는 액체 전해질을 대처하기 위해 연구되고 있는 고분자 전해질과 세라믹 고체 전해질의 문제점을 해결하기 위하여 고분자, 세라믹, 액체 전해질의 복합화를 수행해 리튬 이차전지의 안정성과 전기화학적 특성을 향상시키고자 한다. 뿐만 아니라 액체 전해질만을 사용한 리튬 전지와 전기화학적 특성 면에서 비교했을 때 전혀 뒤떨어지지 않는 복합 전해질을 사용한 리튬 이차전지를 개발하는데 큰 관심을 갖고 연구에 매진 중이다. 이 밖에도 김영식 교수와 함께 리튬을 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 주목받고 있는 해수 전지에 대한 연구도 진행 중이다. 바닷물을 양극으로 사용함으로써 값싼 에너지 저장 시스템용 (ESS) 이차전지를 제작할 수 있다는 것이 김 교수의 설명이다.
 

  김재광 교수는 “리튬은 지구 상에 한정된 양만 존재하고, 일반적으로 광물, 염호(鹽湖)  등으로부터 어려운 공정을 통해 수득 되고 있습니다. 때문에 이렇게 얻어진 리튬을 이용한 이차전지의 안정성과 효율성 증대가 대단히 중요한 이슈로 떠오르고 있고, 리튬을 대체할 수 있는 차세대 이차전지에 대한 필요성도 높아지고 있습니다”라며 “저희가 진행하고 있는 연구들은 연구단계에서만 머무르지 않고, 실제 기업에서 관심을 가질 수 있는, 즉 실용적인 연구로서 사회에 이바지하고자 하는 것입니다. 궁극적으로 사람을 이롭게 하는 연구를 펼치고자 함이 저희 연구실에서 추구하고 있는 최선의 가치라 말할 수 있습니다”라고 피력했다.


 

‘순수한 소명으로 윤택한 연구 펼치고파’

김재광 교수는 차세대 이차전지로 각광받고 있는 유기물만을 사용한 이차전지 시스템 개발과 고안전성의 이차전지 개발하기 위한 고체 전해질, 복합전해질 또는 고분자전해질을 사용한 이차전지에 대한 연구를 꾸준히 진행해오고 있다. 최근에 주목되고 있지만, 유행에 민감하지 않고, 당장의 성과를 기대하긴 어렵지만, 장기적 관점에서의 기초연구를 펼쳐오고 있는 것이다. 때문에 김 교수는 연구자로서 순수한 마음을 가지고, 이를 끝까지 유지해 한 분야의 깊이 있는 연구를 펼쳐나가야 한다고 주장한다. 
 

  김재광 교수는 “자신을 위한 연구보다는 남을 이롭게 할 수 있는 윤택한 연구를 펼치는 것이 연구자로서의 소명(疏明)이자 사명(使命)입니다”라며 “작게는 함께 연구하는 연구진들의 진로 개척에 도움을 주어 그들의 삶의 질을 높이고자 합니다. 그리고 나아가 연구실의 연구를 통해 유기 이차전지 연구의 선진국과 함께 연구를 펼쳐, 국가 과학기술의 위상과 유기 이차전지 산업계의 발전에 이바지하여 국가 경제 발전에 미약하게나마 밑거름을 만들고자 합니다”라고 포부를 밝혔다.
 

  연구자로서 새로움에 대한 열망과 윤택한 미래에 대한 갈망으로 묵묵히 자신의 길을 걸어가고 있는 김재광 교수. 앞으로 그의 연구실을 통해 발현될 창의적이고 혁신적인 연구 결과들을 기대해본다.

 


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