- 아연 금속의 표면처리 기술 개발, 기존 아연 금속전지의 소재적 한계 극복 - 유연한 섬유형태로 제작 가능, 안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유형태로 제조가 가능하여, 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있다. 최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데, 아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다. 하지만, 기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정( 덴드라이트 : 아연 이온이 환원되어 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. (덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다. KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발하여 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공하였다. KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 싸이클 양극산화공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께편차는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다. 개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다. KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5, 5820-5830) KIST 이중기 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지영 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 본 연구의 싸이클 양극산화 공법을 통해 표면이 개질된 아연금속 전극의 표면 형상 및 아연 이온 증착 거동, 표면이 개질된 아연금속 전극은 산화아연 막으로 인해 전해질과의 접촉을 차단하고 아연 이온을 하단으로 유도함으로써 수평적 증착이 이루어짐 [그림 2] (가) 기존의 아연금속 전극과 표면이 개질된 아연금속 전극으로 이루어진 대칭 셀에 대한 다양한 전류밀도에서의 전압 곡선. (나) 기존의 아연금속 음극과 표면이 개질된 아연금속 음극을 포함한 아연-이산화망간 전지의 방전용량 비교 (전류밀도: 9.0 A g-1) [그림 3] 섬유 형상의 아연금속 이온 전지 제조 방법 [그림 4] 다양한 종류의 기존 상용 배터리와 본 연구의 표면 개질된 아연금속 전극을 포함한 아연이온배터리의 출력밀도 및 에너지밀도 비교

- 아연 금속의 표면처리 기술 개발, 기존 아연 금속전지의 소재적 한계 극복 - 유연한 섬유형태로 제작 가능, 안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유형태로 제조가 가능하여, 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있다. 최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데, 아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다. 하지만, 기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정( 덴드라이트 : 아연 이온이 환원되어 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. (덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다. KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발하여 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공하였다. KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 싸이클 양극산화공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께편차는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다. 개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다. KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5, 5820-5830) KIST 이중기 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지영 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 본 연구의 싸이클 양극산화 공법을 통해 표면이 개질된 아연금속 전극의 표면 형상 및 아연 이온 증착 거동, 표면이 개질된 아연금속 전극은 산화아연 막으로 인해 전해질과의 접촉을 차단하고 아연 이온을 하단으로 유도함으로써 수평적 증착이 이루어짐 [그림 2] (가) 기존의 아연금속 전극과 표면이 개질된 아연금속 전극으로 이루어진 대칭 셀에 대한 다양한 전류밀도에서의 전압 곡선. (나) 기존의 아연금속 음극과 표면이 개질된 아연금속 음극을 포함한 아연-이산화망간 전지의 방전용량 비교 (전류밀도: 9.0 A g-1) [그림 3] 섬유 형상의 아연금속 이온 전지 제조 방법 [그림 4] 다양한 종류의 기존 상용 배터리와 본 연구의 표면 개질된 아연금속 전극을 포함한 아연이온배터리의 출력밀도 및 에너지밀도 비교

- 아연 금속의 표면처리 기술 개발, 기존 아연 금속전지의 소재적 한계 극복 - 유연한 섬유형태로 제작 가능, 안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유형태로 제조가 가능하여, 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있다. 최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데, 아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다. 하지만, 기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정( 덴드라이트 : 아연 이온이 환원되어 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. (덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다. KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발하여 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공하였다. KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 싸이클 양극산화공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께편차는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다. 개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다. KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5, 5820-5830) KIST 이중기 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지영 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 본 연구의 싸이클 양극산화 공법을 통해 표면이 개질된 아연금속 전극의 표면 형상 및 아연 이온 증착 거동, 표면이 개질된 아연금속 전극은 산화아연 막으로 인해 전해질과의 접촉을 차단하고 아연 이온을 하단으로 유도함으로써 수평적 증착이 이루어짐 [그림 2] (가) 기존의 아연금속 전극과 표면이 개질된 아연금속 전극으로 이루어진 대칭 셀에 대한 다양한 전류밀도에서의 전압 곡선. (나) 기존의 아연금속 음극과 표면이 개질된 아연금속 음극을 포함한 아연-이산화망간 전지의 방전용량 비교 (전류밀도: 9.0 A g-1) [그림 3] 섬유 형상의 아연금속 이온 전지 제조 방법 [그림 4] 다양한 종류의 기존 상용 배터리와 본 연구의 표면 개질된 아연금속 전극을 포함한 아연이온배터리의 출력밀도 및 에너지밀도 비교

- 아연 금속의 표면처리 기술 개발, 기존 아연 금속전지의 소재적 한계 극복 - 유연한 섬유형태로 제작 가능, 안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유형태로 제조가 가능하여, 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있다. 최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데, 아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다. 하지만, 기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정( 덴드라이트 : 아연 이온이 환원되어 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. (덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다. KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발하여 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공하였다. KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 싸이클 양극산화공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께편차는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다. 개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다. KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5, 5820-5830) KIST 이중기 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지영 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 본 연구의 싸이클 양극산화 공법을 통해 표면이 개질된 아연금속 전극의 표면 형상 및 아연 이온 증착 거동, 표면이 개질된 아연금속 전극은 산화아연 막으로 인해 전해질과의 접촉을 차단하고 아연 이온을 하단으로 유도함으로써 수평적 증착이 이루어짐 [그림 2] (가) 기존의 아연금속 전극과 표면이 개질된 아연금속 전극으로 이루어진 대칭 셀에 대한 다양한 전류밀도에서의 전압 곡선. (나) 기존의 아연금속 음극과 표면이 개질된 아연금속 음극을 포함한 아연-이산화망간 전지의 방전용량 비교 (전류밀도: 9.0 A g-1) [그림 3] 섬유 형상의 아연금속 이온 전지 제조 방법 [그림 4] 다양한 종류의 기존 상용 배터리와 본 연구의 표면 개질된 아연금속 전극을 포함한 아연이온배터리의 출력밀도 및 에너지밀도 비교

- 아연 금속의 표면처리 기술 개발, 기존 아연 금속전지의 소재적 한계 극복 - 유연한 섬유형태로 제작 가능, 안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유형태로 제조가 가능하여, 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있다. 최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데, 아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다. 하지만, 기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정( 덴드라이트 : 아연 이온이 환원되어 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. (덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다. KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발하여 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공하였다. KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 싸이클 양극산화공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께편차는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다. 개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다. KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5, 5820-5830) KIST 이중기 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지영 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 본 연구의 싸이클 양극산화 공법을 통해 표면이 개질된 아연금속 전극의 표면 형상 및 아연 이온 증착 거동, 표면이 개질된 아연금속 전극은 산화아연 막으로 인해 전해질과의 접촉을 차단하고 아연 이온을 하단으로 유도함으로써 수평적 증착이 이루어짐 [그림 2] (가) 기존의 아연금속 전극과 표면이 개질된 아연금속 전극으로 이루어진 대칭 셀에 대한 다양한 전류밀도에서의 전압 곡선. (나) 기존의 아연금속 음극과 표면이 개질된 아연금속 음극을 포함한 아연-이산화망간 전지의 방전용량 비교 (전류밀도: 9.0 A g-1) [그림 3] 섬유 형상의 아연금속 이온 전지 제조 방법 [그림 4] 다양한 종류의 기존 상용 배터리와 본 연구의 표면 개질된 아연금속 전극을 포함한 아연이온배터리의 출력밀도 및 에너지밀도 비교

- 아연 금속의 표면처리 기술 개발, 기존 아연 금속전지의 소재적 한계 극복 - 유연한 섬유형태로 제작 가능, 안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유형태로 제조가 가능하여, 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있다. 최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데, 아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다. 하지만, 기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정( 덴드라이트 : 아연 이온이 환원되어 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. (덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다. KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발하여 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공하였다. KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 싸이클 양극산화공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께편차는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다. 개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다. KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5, 5820-5830) KIST 이중기 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지영 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 본 연구의 싸이클 양극산화 공법을 통해 표면이 개질된 아연금속 전극의 표면 형상 및 아연 이온 증착 거동, 표면이 개질된 아연금속 전극은 산화아연 막으로 인해 전해질과의 접촉을 차단하고 아연 이온을 하단으로 유도함으로써 수평적 증착이 이루어짐 [그림 2] (가) 기존의 아연금속 전극과 표면이 개질된 아연금속 전극으로 이루어진 대칭 셀에 대한 다양한 전류밀도에서의 전압 곡선. (나) 기존의 아연금속 음극과 표면이 개질된 아연금속 음극을 포함한 아연-이산화망간 전지의 방전용량 비교 (전류밀도: 9.0 A g-1) [그림 3] 섬유 형상의 아연금속 이온 전지 제조 방법 [그림 4] 다양한 종류의 기존 상용 배터리와 본 연구의 표면 개질된 아연금속 전극을 포함한 아연이온배터리의 출력밀도 및 에너지밀도 비교

- 암모니아로부터 수소생산과 동시에 정제하는 고효율 수소추출기 개발 - 화학적 수소저장기술로 향후 수소충전소 및 무인비행체 등에 활용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구단 조영석·윤창원 박사팀은 암모니아로부터 고순도의 수소를 추출하고 전력을 발생시키는 기술을 개발하여 대용량의 수소를 장거리 운송할 수 있는 수소운반체로서의 암모니아 가능성을 확인했다고 밝혔다. 재생에너지 기반의 글로벌 청정에너지 공급망 확산이 전 세계적인 이슈로 부상하고 있지만, 재생 전력을 전기의 형태로 장거리 이송하는 데는 많은 제약이 따른다. 이러한 이유로 잉여 재생전력을 수소의 형태로 변환하고, 생산된 수소를 원하는 곳까지 운반하여 이를 활용하는 기술개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 하지만 기체 형태의 수소는 단위 부피에 저장할 수 있는 양이 작아 한 번에 많은 양의 수소를 운송하기 어렵다. 최근 이를 극복하기 위한 전략으로 현재 사용 중인 화석연료의 이송 방법과 유사하게 액상 형태의 화합물을 수소운반체로 활용하는 방법이 제안되고 있다. 액상 암모니아는 액체수소보다 같은 부피로 1.5배 가량의 더 많은 양의 수소를 저장(부피대비 수소저장밀도 108kg-H2/m3)할 수 있다. 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하는 기존 천연가스 수증기 개질 기반의 수소생산법과는 달리 암모니아는 분해 과정에서 수소와 질소만을 생성한다. 그러나, 암모니아가 가지는 많은 장점에도 불구하고, 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하고 이를 연료전지와 연계하여 전기를 생산하는 연구는 상대적으로 개발이 미흡하였다. KIST 연구진은, 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산할 수 있는 분리막 소재를 개발하였다. 개발한 촉매와 분리막 소재를 결합하여 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 분리막으로 고순도의 수소를 분리해내는 추출기를 구현하였다. 개발된 기술은 높은 순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있으며, 별도의 수소 정제장치 없이 연료전지와 직접 연계하여 소형 전력발생장치에도 적용이 가능하다. 연구진은 암모니아 분해 반응과 동시에 수소를 분리함으로서 분해 반응 온도를 550oC에서 450oC까지 현저히 낮추어 에너지 소비를 줄임과 동시에 수소 생산 속도를 기존 기술 대비 2배 이상 높였다. 또한, 자체 개발한 저가금속 기반의 분리막을 활용하여 PSA (Pressure Swing Adsorption) : 현재 수소 분리에 가장 많이 사용되고 있는 공정. 혼합기체에서 특정 기체를 분리하는 데에 활용하는 흡착기반의 공정. 기체 분자들이 특정 흡착제에 가지는 흡착평형을 활용하여, 공정 압력을 조절하여 기체를 분리함. PSA (Pressure Swing Adsorption) 공정 등 값비싼 분리공정 없이도 99.99% 이상의 순도를 갖는 수소를 생산할 수 있었다. 현재 암모니아 운반선을 이용한 대륙 간 운반으로 암모니아에서 수소를 추출하여 활용하는 저장, 운송 관련 인프라는 전 세계적으로 상용화되어 사용되고 있다. 이번 연구진의 기술이 이러한 인프라에 활용된다면 수소경제 사회로 들어가는데 한걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상된다. KIST 조영석 박사는 “본 기술을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 컴팩트한 수소 파워팩을 개발해 드론택시, 무인비행기, 선박 등의 이동수단에 적용하는 후속연구를 계획하고 있다.”고 말했으며, KIST 윤창원 수소·연료전지연구단장은 “이번 연구 성과는 순수 국내 연구진이 개발한 암모니아 기반 수소 추출·정제 원천기술로서, 가까운 미래에 암모니아를 활용한 국내 대용량 수소공급에 새로운 장을 열 수 있을 것으로 기대한다.”고 포부를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업, 한국에너지기술평가원 “신재생에너지핵심기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구결과는 분리막 분야 권위지인 ‘Journal of Membrane Science’ (JCR 분야 상위 2.809%) 7.26 일자로 온라인 게재되었다. * (논문명) A Catalytic Composite Membrane Reactor System for Hydrogen Production from Ammonia using Steam as a Sweep Gas - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박용하 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 조영석 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 윤창원 책임연구원 <그림설명> [그림 1] KIST 연구진이 개발한 암모니아 기반 분리막 반응 수소추출 장치

- 암모니아로부터 수소생산과 동시에 정제하는 고효율 수소추출기 개발 - 화학적 수소저장기술로 향후 수소충전소 및 무인비행체 등에 활용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구단 조영석·윤창원 박사팀은 암모니아로부터 고순도의 수소를 추출하고 전력을 발생시키는 기술을 개발하여 대용량의 수소를 장거리 운송할 수 있는 수소운반체로서의 암모니아 가능성을 확인했다고 밝혔다. 재생에너지 기반의 글로벌 청정에너지 공급망 확산이 전 세계적인 이슈로 부상하고 있지만, 재생 전력을 전기의 형태로 장거리 이송하는 데는 많은 제약이 따른다. 이러한 이유로 잉여 재생전력을 수소의 형태로 변환하고, 생산된 수소를 원하는 곳까지 운반하여 이를 활용하는 기술개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 하지만 기체 형태의 수소는 단위 부피에 저장할 수 있는 양이 작아 한 번에 많은 양의 수소를 운송하기 어렵다. 최근 이를 극복하기 위한 전략으로 현재 사용 중인 화석연료의 이송 방법과 유사하게 액상 형태의 화합물을 수소운반체로 활용하는 방법이 제안되고 있다. 액상 암모니아는 액체수소보다 같은 부피로 1.5배 가량의 더 많은 양의 수소를 저장(부피대비 수소저장밀도 108kg-H2/m3)할 수 있다. 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하는 기존 천연가스 수증기 개질 기반의 수소생산법과는 달리 암모니아는 분해 과정에서 수소와 질소만을 생성한다. 그러나, 암모니아가 가지는 많은 장점에도 불구하고, 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하고 이를 연료전지와 연계하여 전기를 생산하는 연구는 상대적으로 개발이 미흡하였다. KIST 연구진은, 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산할 수 있는 분리막 소재를 개발하였다. 개발한 촉매와 분리막 소재를 결합하여 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 분리막으로 고순도의 수소를 분리해내는 추출기를 구현하였다. 개발된 기술은 높은 순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있으며, 별도의 수소 정제장치 없이 연료전지와 직접 연계하여 소형 전력발생장치에도 적용이 가능하다. 연구진은 암모니아 분해 반응과 동시에 수소를 분리함으로서 분해 반응 온도를 550oC에서 450oC까지 현저히 낮추어 에너지 소비를 줄임과 동시에 수소 생산 속도를 기존 기술 대비 2배 이상 높였다. 또한, 자체 개발한 저가금속 기반의 분리막을 활용하여 PSA (Pressure Swing Adsorption) : 현재 수소 분리에 가장 많이 사용되고 있는 공정. 혼합기체에서 특정 기체를 분리하는 데에 활용하는 흡착기반의 공정. 기체 분자들이 특정 흡착제에 가지는 흡착평형을 활용하여, 공정 압력을 조절하여 기체를 분리함. PSA (Pressure Swing Adsorption) 공정 등 값비싼 분리공정 없이도 99.99% 이상의 순도를 갖는 수소를 생산할 수 있었다. 현재 암모니아 운반선을 이용한 대륙 간 운반으로 암모니아에서 수소를 추출하여 활용하는 저장, 운송 관련 인프라는 전 세계적으로 상용화되어 사용되고 있다. 이번 연구진의 기술이 이러한 인프라에 활용된다면 수소경제 사회로 들어가는데 한걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상된다. KIST 조영석 박사는 “본 기술을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 컴팩트한 수소 파워팩을 개발해 드론택시, 무인비행기, 선박 등의 이동수단에 적용하는 후속연구를 계획하고 있다.”고 말했으며, KIST 윤창원 수소·연료전지연구단장은 “이번 연구 성과는 순수 국내 연구진이 개발한 암모니아 기반 수소 추출·정제 원천기술로서, 가까운 미래에 암모니아를 활용한 국내 대용량 수소공급에 새로운 장을 열 수 있을 것으로 기대한다.”고 포부를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업, 한국에너지기술평가원 “신재생에너지핵심기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구결과는 분리막 분야 권위지인 ‘Journal of Membrane Science’ (JCR 분야 상위 2.809%) 7.26 일자로 온라인 게재되었다. * (논문명) A Catalytic Composite Membrane Reactor System for Hydrogen Production from Ammonia using Steam as a Sweep Gas - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박용하 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 조영석 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 윤창원 책임연구원 <그림설명> [그림 1] KIST 연구진이 개발한 암모니아 기반 분리막 반응 수소추출 장치

- 암모니아로부터 수소생산과 동시에 정제하는 고효율 수소추출기 개발 - 화학적 수소저장기술로 향후 수소충전소 및 무인비행체 등에 활용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구단 조영석·윤창원 박사팀은 암모니아로부터 고순도의 수소를 추출하고 전력을 발생시키는 기술을 개발하여 대용량의 수소를 장거리 운송할 수 있는 수소운반체로서의 암모니아 가능성을 확인했다고 밝혔다. 재생에너지 기반의 글로벌 청정에너지 공급망 확산이 전 세계적인 이슈로 부상하고 있지만, 재생 전력을 전기의 형태로 장거리 이송하는 데는 많은 제약이 따른다. 이러한 이유로 잉여 재생전력을 수소의 형태로 변환하고, 생산된 수소를 원하는 곳까지 운반하여 이를 활용하는 기술개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 하지만 기체 형태의 수소는 단위 부피에 저장할 수 있는 양이 작아 한 번에 많은 양의 수소를 운송하기 어렵다. 최근 이를 극복하기 위한 전략으로 현재 사용 중인 화석연료의 이송 방법과 유사하게 액상 형태의 화합물을 수소운반체로 활용하는 방법이 제안되고 있다. 액상 암모니아는 액체수소보다 같은 부피로 1.5배 가량의 더 많은 양의 수소를 저장(부피대비 수소저장밀도 108kg-H2/m3)할 수 있다. 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하는 기존 천연가스 수증기 개질 기반의 수소생산법과는 달리 암모니아는 분해 과정에서 수소와 질소만을 생성한다. 그러나, 암모니아가 가지는 많은 장점에도 불구하고, 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하고 이를 연료전지와 연계하여 전기를 생산하는 연구는 상대적으로 개발이 미흡하였다. KIST 연구진은, 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산할 수 있는 분리막 소재를 개발하였다. 개발한 촉매와 분리막 소재를 결합하여 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 분리막으로 고순도의 수소를 분리해내는 추출기를 구현하였다. 개발된 기술은 높은 순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있으며, 별도의 수소 정제장치 없이 연료전지와 직접 연계하여 소형 전력발생장치에도 적용이 가능하다. 연구진은 암모니아 분해 반응과 동시에 수소를 분리함으로서 분해 반응 온도를 550oC에서 450oC까지 현저히 낮추어 에너지 소비를 줄임과 동시에 수소 생산 속도를 기존 기술 대비 2배 이상 높였다. 또한, 자체 개발한 저가금속 기반의 분리막을 활용하여 PSA (Pressure Swing Adsorption) : 현재 수소 분리에 가장 많이 사용되고 있는 공정. 혼합기체에서 특정 기체를 분리하는 데에 활용하는 흡착기반의 공정. 기체 분자들이 특정 흡착제에 가지는 흡착평형을 활용하여, 공정 압력을 조절하여 기체를 분리함. PSA (Pressure Swing Adsorption) 공정 등 값비싼 분리공정 없이도 99.99% 이상의 순도를 갖는 수소를 생산할 수 있었다. 현재 암모니아 운반선을 이용한 대륙 간 운반으로 암모니아에서 수소를 추출하여 활용하는 저장, 운송 관련 인프라는 전 세계적으로 상용화되어 사용되고 있다. 이번 연구진의 기술이 이러한 인프라에 활용된다면 수소경제 사회로 들어가는데 한걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상된다. KIST 조영석 박사는 “본 기술을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 컴팩트한 수소 파워팩을 개발해 드론택시, 무인비행기, 선박 등의 이동수단에 적용하는 후속연구를 계획하고 있다.”고 말했으며, KIST 윤창원 수소·연료전지연구단장은 “이번 연구 성과는 순수 국내 연구진이 개발한 암모니아 기반 수소 추출·정제 원천기술로서, 가까운 미래에 암모니아를 활용한 국내 대용량 수소공급에 새로운 장을 열 수 있을 것으로 기대한다.”고 포부를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업, 한국에너지기술평가원 “신재생에너지핵심기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구결과는 분리막 분야 권위지인 ‘Journal of Membrane Science’ (JCR 분야 상위 2.809%) 7.26 일자로 온라인 게재되었다. * (논문명) A Catalytic Composite Membrane Reactor System for Hydrogen Production from Ammonia using Steam as a Sweep Gas - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박용하 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 조영석 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 윤창원 책임연구원 <그림설명> [그림 1] KIST 연구진이 개발한 암모니아 기반 분리막 반응 수소추출 장치

- 암모니아로부터 수소생산과 동시에 정제하는 고효율 수소추출기 개발 - 화학적 수소저장기술로 향후 수소충전소 및 무인비행체 등에 활용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구단 조영석·윤창원 박사팀은 암모니아로부터 고순도의 수소를 추출하고 전력을 발생시키는 기술을 개발하여 대용량의 수소를 장거리 운송할 수 있는 수소운반체로서의 암모니아 가능성을 확인했다고 밝혔다. 재생에너지 기반의 글로벌 청정에너지 공급망 확산이 전 세계적인 이슈로 부상하고 있지만, 재생 전력을 전기의 형태로 장거리 이송하는 데는 많은 제약이 따른다. 이러한 이유로 잉여 재생전력을 수소의 형태로 변환하고, 생산된 수소를 원하는 곳까지 운반하여 이를 활용하는 기술개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 하지만 기체 형태의 수소는 단위 부피에 저장할 수 있는 양이 작아 한 번에 많은 양의 수소를 운송하기 어렵다. 최근 이를 극복하기 위한 전략으로 현재 사용 중인 화석연료의 이송 방법과 유사하게 액상 형태의 화합물을 수소운반체로 활용하는 방법이 제안되고 있다. 액상 암모니아는 액체수소보다 같은 부피로 1.5배 가량의 더 많은 양의 수소를 저장(부피대비 수소저장밀도 108kg-H2/m3)할 수 있다. 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하는 기존 천연가스 수증기 개질 기반의 수소생산법과는 달리 암모니아는 분해 과정에서 수소와 질소만을 생성한다. 그러나, 암모니아가 가지는 많은 장점에도 불구하고, 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하고 이를 연료전지와 연계하여 전기를 생산하는 연구는 상대적으로 개발이 미흡하였다. KIST 연구진은, 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산할 수 있는 분리막 소재를 개발하였다. 개발한 촉매와 분리막 소재를 결합하여 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 분리막으로 고순도의 수소를 분리해내는 추출기를 구현하였다. 개발된 기술은 높은 순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있으며, 별도의 수소 정제장치 없이 연료전지와 직접 연계하여 소형 전력발생장치에도 적용이 가능하다. 연구진은 암모니아 분해 반응과 동시에 수소를 분리함으로서 분해 반응 온도를 550oC에서 450oC까지 현저히 낮추어 에너지 소비를 줄임과 동시에 수소 생산 속도를 기존 기술 대비 2배 이상 높였다. 또한, 자체 개발한 저가금속 기반의 분리막을 활용하여 PSA (Pressure Swing Adsorption) : 현재 수소 분리에 가장 많이 사용되고 있는 공정. 혼합기체에서 특정 기체를 분리하는 데에 활용하는 흡착기반의 공정. 기체 분자들이 특정 흡착제에 가지는 흡착평형을 활용하여, 공정 압력을 조절하여 기체를 분리함. PSA (Pressure Swing Adsorption) 공정 등 값비싼 분리공정 없이도 99.99% 이상의 순도를 갖는 수소를 생산할 수 있었다. 현재 암모니아 운반선을 이용한 대륙 간 운반으로 암모니아에서 수소를 추출하여 활용하는 저장, 운송 관련 인프라는 전 세계적으로 상용화되어 사용되고 있다. 이번 연구진의 기술이 이러한 인프라에 활용된다면 수소경제 사회로 들어가는데 한걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상된다. KIST 조영석 박사는 “본 기술을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 컴팩트한 수소 파워팩을 개발해 드론택시, 무인비행기, 선박 등의 이동수단에 적용하는 후속연구를 계획하고 있다.”고 말했으며, KIST 윤창원 수소·연료전지연구단장은 “이번 연구 성과는 순수 국내 연구진이 개발한 암모니아 기반 수소 추출·정제 원천기술로서, 가까운 미래에 암모니아를 활용한 국내 대용량 수소공급에 새로운 장을 열 수 있을 것으로 기대한다.”고 포부를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업, 한국에너지기술평가원 “신재생에너지핵심기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구결과는 분리막 분야 권위지인 ‘Journal of Membrane Science’ (JCR 분야 상위 2.809%) 7.26 일자로 온라인 게재되었다. * (논문명) A Catalytic Composite Membrane Reactor System for Hydrogen Production from Ammonia using Steam as a Sweep Gas - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박용하 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 조영석 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 윤창원 책임연구원 <그림설명> [그림 1] KIST 연구진이 개발한 암모니아 기반 분리막 반응 수소추출 장치