- 구리에 금속산화물 도입, 다양한 탄소화합물을 합성하는 기초 원천 기술 개발 - 계산·화학 모델링 기반으로 에틸렌·에탄올 생성을 위한 최적의 촉매 구조 밝혀 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정 박사 연구팀은 한국과학기술원(KAIST, 총장 신성철) 김형준 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 온실가스로 알려진 이산화탄소를 전환하여 에틸렌·에탄올 등 산업에서 활용 가능한 탄소화합물을 만들어내는 새로운 전기 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다. 이산화탄소, 물과 같은 원료로부터 고부가가치 화학 원료를 직접 생성하는 이산화탄소 전환기술은 경제적 가치 창출뿐만 아니라, 이산화탄소 저감에도 이바지할 수 있어 기후 변화 대응의 핵심기술로 발전할 전망이다. 전기화학적 이산화탄소 전환기술의 경우, 일산화탄소나 포름산만을 선택적으로(95% 이상) 생성하는 고성능 촉매 소재들이 최근 다양하게 개발되었다. 그러나, 훨씬 복잡한 반응으로 알려진 에틸렌·에탄올 등의 탄소가 두 개 이상인 다탄소 화합물을 만드는 기술은 아직 생성전류 선택도*가 40~70% 수준으로 충분한 촉매 기술이 확보되지 못했다. *생성전류 선택도 : 전기화학적으로 이산화탄소 전환할 때 흐른 전류 대비 에틸렌 생성에 사용된 전류의 비율 또한, 현재까지 구리 금속 촉매만이 전기화학적 이산화탄소 전환을 통한 에틸렌 생성이 가능한 유일한 소재로 알려져, 보다 다양한 촉매 소재 설계에 한계점이 있었다. 따라서, 촉매 반응의 이해 및 다양한 탄소화합물을 합성하려는 연구도 더딘 실정이었다. KIST 연구진은 구리 촉매 소재에 ‘세리아’라는 금속산화물을 도입, 나노 계면을 조절함으로써 다탄소 화합물 선택도를 향상시킬 수 있는 신규 촉매 설계 기술을 개발하였다. 균일한 구리 촉매 표면은 다탄소 생성물 합성에 적절치 못하다는 이전의 연구 결과를 바탕으로, 다양한 화합물 만들 수 있도록 이종의 소재를 도입하는 접근법을 사용하였다. 연구진이 도입한 금속산화물 ‘세리아’는 구리와의 계면에서 전자 및 화합물의 교환이 가능하여 촉매 반응에 기여하였다. 구리 나노 입자의 단일 촉매의 경우 에틸렌·에탄올의 생성전류 선택도가 40% 미만이었는데, KIST 연구진이 개발한 촉매는 65%로 높은 생성전류 선택도를 보였다. 또한, KIST 연구진은 계산·화학적 모델링을 통해 계면에서의 촉매 다양성 반응 원인을 규명했다. 특히, 구리와 세리아의 계면 조절을 통해 이산화탄소 전환 생성물의 비율을 조절할 수 있었고, 결과적으로 일산화탄소나 메탄과 같이 탄소가 하나인 화합물에 비해, 에틸렌·에탄올 등의 다탄소 화합물의 비율을 향상시키는 구조를 찾을 수 있었다. KIST 황윤정 박사는 “이산화탄소 전환 생성물의 다양성을 높이는 촉매 소재의 연구가 도전적이지만 새로운 가능성을 제시할 수 있을 것이다.”라고 말하며, “본 연구로 밝혀진 촉매 반응의 이해와 촉매 소재 개발 전략은 다탄소 화합물 합성 성능 향상에 기여하여 이산화탄소 활용 기술의 실용화 가능성을 높일 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업(차세대탄소자원화 사업단, 단장 전기원)으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 최고 수준 과학전문지인 「ACS Energy Letters」 (IF : 16.33, JCR 분야 상위 1.92%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Metal-Oxide Interfaces for Selective Electrochemical C-C Coupling Reactions - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이찬우 박사((現)국민대학교 조교수) 한국과학기술원 신승재 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원, 한국과학기술원 김형준 교수 <그림설명> [그림 1] (좌) 전기화학적 이산화탄소 전환 장치 및 에틸렌, 에탄올 생산 촉매 모식도 (우) 구리, 구리/세륨산화물, 세륨산화물 촉매의 전기화학적 생산 선택도 결과

<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" /> 제1호 국가과학자인 KIST 신희섭 박사가 美 국립학술원(NAS) 외국인 회원으로 등록되어 최근 NAS로부터 회원증을 받았다. 美 국립학술원 회원은 기존 회원의 추천을 받은 과학자에 대해 연구 업적을 평가하고 이를 토대로 연차총회에서 투표로 선출하며 과학ㆍ공학자로서 최고 영예 중 하나로 꼽힌다. 신 박사는 유전자 녹아웃(knock-out) 생쥐를 통해 뇌기능을 밝혀내는 연구로 우리나라 뇌․신경과학 연구를 세계적 수준으로 높였으며, 'T-타입 칼슘이온 통로'에 관한 연구를 통해 뇌의 '의식-무의식' 상태를 조절하는 핵심 기전을 규명함으로써 수면조절 및 간질, 통증 치료기술 개발에 새로운 토대를 마련했다는 평가를 받고 있다. 미 국립학술원은 1863년 미 연방법에 따라 과학 발전과 인류 복지에 기여한 과학자와 공학자의 모임으로 설립됐으며 과학ㆍ기술 문제에 대해 연방정부 자문기구 역할도 한다. 뇌 연구 분야의 세계적 권위자인 신박사는 지난 5월28일 美 국립학술원의 146차 연차총회에서 17명의 과학자들과 함께 새로운 외국인 회원으로 선출된 바 있다. 한국 국적의 과학자가 미 국립학술원 외국인회원이 된 것은 유행성출혈열을 일으키는 '한타바이러스' 발견으로 유명한 이호왕 박사가 2002년 선출된 것에 이어 2번째다.

KIST 강릉분원 답사를 시작으로 한국화학연구원 오세화 박사의‘리더십 특강’, 기술사업단 문길주 단장의‘21세기 환경대책’특강 및 정윤철 연구기획부장의‘3개년 경영목표 안내’, “강하고 활기찬 KIST를 위한 연구원 상(像)”에 대한 주제토의로 진행되었으며, 다음날 5시간에 걸친 오대산 산행으로 일정을 마쳤다.

KIST 연구역량발전계획서(2017~2020)

- 옥수수, 고구마 전분 사용, 튀김 공정을 응용한 배터리 음극소재 개발 - 값싸고 손쉬운 공정으로 대량생산 가능, 우수한 특성으로 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 정훈기 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고, 5분 만에 80%이상 급속충전도 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다고 밝혔다. 이를 전기자동차에 적용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 크게 늘어날 것으로 보인다. 현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있지만, 전지 용량이 적어 내연기관 자동차보다 주행거리가 짧다는 한계가 있다. 장거리 주행이 가능한 전기차를 개발하기 위해, 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 충·방전이 반복되면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어들어 상용화가 쉽지 않았다. 또한, 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이기 위해 여러 방법이 제시되었지만, 복잡한 공정과 높은 비용 때문에 아직까지 흑연을 대체하지 못하고 있었다. KIST 정훈기 박사팀은 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료에 주목했다. 각각 물에 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 풀어서 섞은 뒤, 가열하여 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다. 튀김을 만드는 것과 같은 손쉬운 가열 공정을 통해 탄소와 실리콘 복합체를 단단하게 고정시킨 것이다. 이를 통해 충·방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창을 예방하였다. 연구진이 개발한 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량(360mAh/g → 1,530mAh/g)을 보였으며, 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성을 보였다. 이러한 우수한 특성은 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제하여 실리콘 소재의 안정성을 높이고, 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻었기 때문이다. 본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “옥수수 전분과 같이 일상생활에서 구하기 쉬운 재료를 활용하고, 복잡한 반응기 없이 재료의 단순 혼합과 열처리를 통해 탄소-실리콘 복합소재를 개발했다.”라며, “이러한 손쉬운 공정과 우수한 특성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 리튬이온 이차전지에 적용되어 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Nano/Microstructured Silicon-Carbon Hybrid Composite Particles Fabricated with Corn Starch Biowaste as Anode Materials for Li-Ion Batteries - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 석사과정(現, LG화학) - (제 1저자) 전남대학교 신소재공학부 황장연 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 에너지공학과 선양국 교수 <그림설명> <대표 이미지> KIST 연구진이 친환경 재료인 옥수수, 고구마 등의 전분으로 기름과 섞은 실리콘을 단순 혼합, 가열하여 개발한 탄소-실리콘 복합체의 음극소재로 제작한 배터리로 전기자동차가 기존보다 2배 이상 주행거리가 늘어나는 상황을 그린 예상도. [그림 1] 탄소-실리콘 복합체 합성 과정 요약 물, 기름, 전분, 실리콘, 계면활성제로 유화액 제조로 마이셀을 형성시킨 다음, 가열과 탄화 과정을 거치면 탄소-실리콘 복합체가 형성됨 [그림 2] 제조된 탄소-실리콘 복합체의 전기화학적 성능평가를 통한 용량·수명 특성 평가 결과

- 옥수수, 고구마 전분 사용, 튀김 공정을 응용한 배터리 음극소재 개발 - 값싸고 손쉬운 공정으로 대량생산 가능, 우수한 특성으로 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 정훈기 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고, 5분 만에 80%이상 급속충전도 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다고 밝혔다. 이를 전기자동차에 적용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 크게 늘어날 것으로 보인다. 현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있지만, 전지 용량이 적어 내연기관 자동차보다 주행거리가 짧다는 한계가 있다. 장거리 주행이 가능한 전기차를 개발하기 위해, 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 충·방전이 반복되면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어들어 상용화가 쉽지 않았다. 또한, 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이기 위해 여러 방법이 제시되었지만, 복잡한 공정과 높은 비용 때문에 아직까지 흑연을 대체하지 못하고 있었다. KIST 정훈기 박사팀은 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료에 주목했다. 각각 물에 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 풀어서 섞은 뒤, 가열하여 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다. 튀김을 만드는 것과 같은 손쉬운 가열 공정을 통해 탄소와 실리콘 복합체를 단단하게 고정시킨 것이다. 이를 통해 충·방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창을 예방하였다. 연구진이 개발한 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량(360mAh/g → 1,530mAh/g)을 보였으며, 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성을 보였다. 이러한 우수한 특성은 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제하여 실리콘 소재의 안정성을 높이고, 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻었기 때문이다. 본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “옥수수 전분과 같이 일상생활에서 구하기 쉬운 재료를 활용하고, 복잡한 반응기 없이 재료의 단순 혼합과 열처리를 통해 탄소-실리콘 복합소재를 개발했다.”라며, “이러한 손쉬운 공정과 우수한 특성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 리튬이온 이차전지에 적용되어 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Nano/Microstructured Silicon-Carbon Hybrid Composite Particles Fabricated with Corn Starch Biowaste as Anode Materials for Li-Ion Batteries - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 석사과정(現, LG화학) - (제 1저자) 전남대학교 신소재공학부 황장연 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 에너지공학과 선양국 교수 <그림설명> <대표 이미지> KIST 연구진이 친환경 재료인 옥수수, 고구마 등의 전분으로 기름과 섞은 실리콘을 단순 혼합, 가열하여 개발한 탄소-실리콘 복합체의 음극소재로 제작한 배터리로 전기자동차가 기존보다 2배 이상 주행거리가 늘어나는 상황을 그린 예상도. [그림 1] 탄소-실리콘 복합체 합성 과정 요약 물, 기름, 전분, 실리콘, 계면활성제로 유화액 제조로 마이셀을 형성시킨 다음, 가열과 탄화 과정을 거치면 탄소-실리콘 복합체가 형성됨 [그림 2] 제조된 탄소-실리콘 복합체의 전기화학적 성능평가를 통한 용량·수명 특성 평가 결과

- 옥수수, 고구마 전분 사용, 튀김 공정을 응용한 배터리 음극소재 개발 - 값싸고 손쉬운 공정으로 대량생산 가능, 우수한 특성으로 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 정훈기 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고, 5분 만에 80%이상 급속충전도 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다고 밝혔다. 이를 전기자동차에 적용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 크게 늘어날 것으로 보인다. 현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있지만, 전지 용량이 적어 내연기관 자동차보다 주행거리가 짧다는 한계가 있다. 장거리 주행이 가능한 전기차를 개발하기 위해, 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 충·방전이 반복되면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어들어 상용화가 쉽지 않았다. 또한, 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이기 위해 여러 방법이 제시되었지만, 복잡한 공정과 높은 비용 때문에 아직까지 흑연을 대체하지 못하고 있었다. KIST 정훈기 박사팀은 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료에 주목했다. 각각 물에 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 풀어서 섞은 뒤, 가열하여 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다. 튀김을 만드는 것과 같은 손쉬운 가열 공정을 통해 탄소와 실리콘 복합체를 단단하게 고정시킨 것이다. 이를 통해 충·방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창을 예방하였다. 연구진이 개발한 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량(360mAh/g → 1,530mAh/g)을 보였으며, 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성을 보였다. 이러한 우수한 특성은 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제하여 실리콘 소재의 안정성을 높이고, 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻었기 때문이다. 본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “옥수수 전분과 같이 일상생활에서 구하기 쉬운 재료를 활용하고, 복잡한 반응기 없이 재료의 단순 혼합과 열처리를 통해 탄소-실리콘 복합소재를 개발했다.”라며, “이러한 손쉬운 공정과 우수한 특성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 리튬이온 이차전지에 적용되어 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Nano/Microstructured Silicon-Carbon Hybrid Composite Particles Fabricated with Corn Starch Biowaste as Anode Materials for Li-Ion Batteries - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 석사과정(現, LG화학) - (제 1저자) 전남대학교 신소재공학부 황장연 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 에너지공학과 선양국 교수 <그림설명> <대표 이미지> KIST 연구진이 친환경 재료인 옥수수, 고구마 등의 전분으로 기름과 섞은 실리콘을 단순 혼합, 가열하여 개발한 탄소-실리콘 복합체의 음극소재로 제작한 배터리로 전기자동차가 기존보다 2배 이상 주행거리가 늘어나는 상황을 그린 예상도. [그림 1] 탄소-실리콘 복합체 합성 과정 요약 물, 기름, 전분, 실리콘, 계면활성제로 유화액 제조로 마이셀을 형성시킨 다음, 가열과 탄화 과정을 거치면 탄소-실리콘 복합체가 형성됨 [그림 2] 제조된 탄소-실리콘 복합체의 전기화학적 성능평가를 통한 용량·수명 특성 평가 결과

- 옥수수, 고구마 전분 사용, 튀김 공정을 응용한 배터리 음극소재 개발 - 값싸고 손쉬운 공정으로 대량생산 가능, 우수한 특성으로 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 정훈기 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고, 5분 만에 80%이상 급속충전도 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다고 밝혔다. 이를 전기자동차에 적용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 크게 늘어날 것으로 보인다. 현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있지만, 전지 용량이 적어 내연기관 자동차보다 주행거리가 짧다는 한계가 있다. 장거리 주행이 가능한 전기차를 개발하기 위해, 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 충·방전이 반복되면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어들어 상용화가 쉽지 않았다. 또한, 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이기 위해 여러 방법이 제시되었지만, 복잡한 공정과 높은 비용 때문에 아직까지 흑연을 대체하지 못하고 있었다. KIST 정훈기 박사팀은 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료에 주목했다. 각각 물에 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 풀어서 섞은 뒤, 가열하여 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다. 튀김을 만드는 것과 같은 손쉬운 가열 공정을 통해 탄소와 실리콘 복합체를 단단하게 고정시킨 것이다. 이를 통해 충·방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창을 예방하였다. 연구진이 개발한 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량(360mAh/g → 1,530mAh/g)을 보였으며, 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성을 보였다. 이러한 우수한 특성은 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제하여 실리콘 소재의 안정성을 높이고, 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻었기 때문이다. 본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “옥수수 전분과 같이 일상생활에서 구하기 쉬운 재료를 활용하고, 복잡한 반응기 없이 재료의 단순 혼합과 열처리를 통해 탄소-실리콘 복합소재를 개발했다.”라며, “이러한 손쉬운 공정과 우수한 특성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 리튬이온 이차전지에 적용되어 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Nano/Microstructured Silicon-Carbon Hybrid Composite Particles Fabricated with Corn Starch Biowaste as Anode Materials for Li-Ion Batteries - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 석사과정(現, LG화학) - (제 1저자) 전남대학교 신소재공학부 황장연 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 에너지공학과 선양국 교수 <그림설명> <대표 이미지> KIST 연구진이 친환경 재료인 옥수수, 고구마 등의 전분으로 기름과 섞은 실리콘을 단순 혼합, 가열하여 개발한 탄소-실리콘 복합체의 음극소재로 제작한 배터리로 전기자동차가 기존보다 2배 이상 주행거리가 늘어나는 상황을 그린 예상도. [그림 1] 탄소-실리콘 복합체 합성 과정 요약 물, 기름, 전분, 실리콘, 계면활성제로 유화액 제조로 마이셀을 형성시킨 다음, 가열과 탄화 과정을 거치면 탄소-실리콘 복합체가 형성됨 [그림 2] 제조된 탄소-실리콘 복합체의 전기화학적 성능평가를 통한 용량·수명 특성 평가 결과

- 옥수수, 고구마 전분 사용, 튀김 공정을 응용한 배터리 음극소재 개발 - 값싸고 손쉬운 공정으로 대량생산 가능, 우수한 특성으로 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 정훈기 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고, 5분 만에 80%이상 급속충전도 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다고 밝혔다. 이를 전기자동차에 적용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 크게 늘어날 것으로 보인다. 현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있지만, 전지 용량이 적어 내연기관 자동차보다 주행거리가 짧다는 한계가 있다. 장거리 주행이 가능한 전기차를 개발하기 위해, 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 충·방전이 반복되면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어들어 상용화가 쉽지 않았다. 또한, 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이기 위해 여러 방법이 제시되었지만, 복잡한 공정과 높은 비용 때문에 아직까지 흑연을 대체하지 못하고 있었다. KIST 정훈기 박사팀은 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료에 주목했다. 각각 물에 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 풀어서 섞은 뒤, 가열하여 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다. 튀김을 만드는 것과 같은 손쉬운 가열 공정을 통해 탄소와 실리콘 복합체를 단단하게 고정시킨 것이다. 이를 통해 충·방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창을 예방하였다. 연구진이 개발한 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량(360mAh/g → 1,530mAh/g)을 보였으며, 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성을 보였다. 이러한 우수한 특성은 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제하여 실리콘 소재의 안정성을 높이고, 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻었기 때문이다. 본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “옥수수 전분과 같이 일상생활에서 구하기 쉬운 재료를 활용하고, 복잡한 반응기 없이 재료의 단순 혼합과 열처리를 통해 탄소-실리콘 복합소재를 개발했다.”라며, “이러한 손쉬운 공정과 우수한 특성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 리튬이온 이차전지에 적용되어 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Nano/Microstructured Silicon-Carbon Hybrid Composite Particles Fabricated with Corn Starch Biowaste as Anode Materials for Li-Ion Batteries - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 석사과정(現, LG화학) - (제 1저자) 전남대학교 신소재공학부 황장연 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 에너지공학과 선양국 교수 <그림설명> <대표 이미지> KIST 연구진이 친환경 재료인 옥수수, 고구마 등의 전분으로 기름과 섞은 실리콘을 단순 혼합, 가열하여 개발한 탄소-실리콘 복합체의 음극소재로 제작한 배터리로 전기자동차가 기존보다 2배 이상 주행거리가 늘어나는 상황을 그린 예상도. [그림 1] 탄소-실리콘 복합체 합성 과정 요약 물, 기름, 전분, 실리콘, 계면활성제로 유화액 제조로 마이셀을 형성시킨 다음, 가열과 탄화 과정을 거치면 탄소-실리콘 복합체가 형성됨 [그림 2] 제조된 탄소-실리콘 복합체의 전기화학적 성능평가를 통한 용량·수명 특성 평가 결과