[대구경북과학기술원(DGIST)] 폭발·화재 위험성 없는 벤딩 복합고체전해질 개발 ㅣ 스스로 열을 내어 미세먼지 집진‧계측하는 초소형 센서 개발

 

Enhanced compatibility of a polymer-based electrolyte with Li-metal for stable and dendrite-free all-solid-state Li-metal batteries

 

(Hasan Jamal, Firoz Khan, Hyeong-Rok Si, and Jae Hyun Kim)

(Journal of Materials Chemistry A, on-line published on 10.29, 2021)

 

폭발·화재 위험성 없는 벤딩 복합고체전해질 개발

 

제올라이트 기반의 신(新) 복합고체전해질 개발

구부릴 수 있어 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 

웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 사용될 수 있을 것으로 기대

 

    DGIST(총장 국양)는 에너지융합연구부 김재현 책임연구원 연구팀이 세계 최고 성능의 복합고체전해질을 제작했다고 20일 밝혔다. 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

폭발·화재 위험성이 없고 구부릴 수 있는 새로운 물질 기반의 복합고체전해질 개발 이미지1

 

전해질은 물 등에 녹아서 이온화하여 전기를 전달하는 물질로서 배터리의 4대 핵심소재 중 하나다. 현재 널리 쓰이고 있는 액체 전해질은 분리막에 의해 음극과 양극이 나뉘는 구조다. 이 때문에 변형이나 외부 충격으로 분리막이 훼손되면 액체 전해질이 흐르고, 양극 물질이 만나 기화되면서 과열 또는 폭발사고로 이어지는 위험성이 존재한다.

 

이러한 액체전해질을 고체전해질로 대체하게 되면 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다. 또한 분리막도 필요 없어지고 전체적인 배터리의 부피도 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 고체전해질은 액체에 비해 전도도가 훨씬 떨어져 이를 보완하기 위한 연구가 필요한 실정이었다.

 

 

 

이에 김재현 책임연구원 연구팀은 폴리머에 SiO2와 Al2O3로 주 골격을 형성하는 다공성 YNa 제올라이트와 리튬염을 혼합한 새로운 복합고체전해질을 제조했다. 기존 제올라이트는 폴리머에 균일하게 분산되지 않는 단점이 있었으나, 본 연구에서는 리튬염의 농도를 조절함으로써 제올라이트의 균일한 분산 및 리튬이온배터리의 리튬 메탈 음극 계면에서 리튬 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있는 기술 개발하는데 성공했다.

 

또한, 이 복합고체전해질은 기존 폴리머 고체 전해질의 낮은 기계적 강도와 산화물 또는 황화물 고체전해질의 유연하지 못하다는 단점을 모두 극복할 수 있다. 비표면적이 넓은 다공성 YNa 제올라이트는 효과적인 리튬이온 전달을 가능하게 하여 0.84의 세계적 수준의 리튬이온 전달율을 보였으며, 60 °C에서 1.66 × 10-2 Scm-1의 이온전도도와 100 사이클에서 95%이상의 용량 유지율을 보였다. 또한, 리튬덴드라이트 형성이 없기 때문에 리튬 증착과 탈착 사이클 테스트에서도 200 μA/cm2의 높은 전류밀도에서 1500 사이클 이상 안정적으로 구동되는 특성을 보였다.

 

김재현 책임연구원은 “제올라이트 기반의 복합고체전해질 연구는 거의 없었으나 수많은 시행착오에도 포기하지 않고 계속 연구한 결과 세계 최고 성능의 고체전해질을 제작할 수 있었다”며 “본 고체전해질은 구부려질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 배터리 구현에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것”이라고 말했다.

 

한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업(단장 한양대 이정호 교수) 등의 지원을 받아 수행되었다. 연구 결과는 Royal Society of Chemistry 출판사의 Journal of Materials Chemistry A지(誌) 최신호 표지논문으로 지난 10월 29일에 제재됐다.

DGIST 대구경북과학기술원 대외협력팀

 

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Quartz crystal microbalance with thermally-controlled surface adhesion for an efficient fine dust collection and sensing

 

(Il Ryu Jang, Soon In Jung, Gunhee Lee, Inyong Park, Sang Bok Kim, Hoe Joon Kim*)

(Journal of Hazardous Materials, on-line published on October 20th, 2021)

 

스스로 열을 내어 미세먼지 집진‧계측하는 초소형 센서 개발

 

DGIST 김회준 교수팀, 열가소성 플라스틱 폴리머를 활용한 고효율 미세먼지 센서 개발

초소형, 초저가 센서 개발로 다양한 산업 분야 적용 기대돼

 

    DGIST(총장 국양) 로봇공학전공 김회준 교수팀과 한국기계연구원 환경기계연구본부 김상복 박사팀이 공동연구를 통해 열가소성 플라스틱 폴리머(Poystyrene)을 활용한 초소형 미세먼지 센서를 개발했다. 새롭게 개발된 센서는 마이크로 히터를 통해 폴리머의 물성 조정을 통한 미세 먼지의 효율적인 포집을 가능할뿐만 아니라, 고습도 환경에서도 안정적인 구동이 가능해, 향후 다양한 활용이 기대된다.

 

스스로 열을 내어 미세먼지 집진‧계측하는 초소형 센서 개발 이미지1

 

 미세 입자 계측 분야는 대기오염, 반도체 공정, 에어로졸 연구 등 다양한 연구 분야에서 활용이 가능한 만큼 연구자들이 항상 많은 관심을 갖는 분야다. 하지만 기존에 사용되는 석영 공진 센서는 측정이 필요한 입자와 센서 간 완전한 접촉이 어려워 계측이 정확하지 않은 문제가 있어왔으며, 계측 장비가 습도의 영향으로 인한 센서 오류에 따른 신뢰성이 저하되는 등 다양한 문제점이 있어 왔다. 여기에, 관련 장비가 고가인 점 또한 다른 분야 응용에 있어 큰 제약이었다.

 

 

 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀은 열가소성 플라스틱 소재인 폴리스티렌 물질을 활용해 입자와 센서 간의 접촉력을 향상시킨 새로운 센서를 개발했다. 폴리스티렌 물질은 가열 온도에 따라 표면 흡착력을 달리하여 입자 포집 및 센싱에 용이한 소재다.

 

 이 때 김회준 교수팀은 개발한 센서에 마이크로 히터 시스템을 설치, 외부의 열원이 없더라도 센서가 자체적으로 열 발생을 조절해 폴리스티렌의 흡착력을 제어할 수 있도록 했다. 이 때, 설치된 마이크로 히터는 센서의 흡착력 제어뿐만 아니라 외부 습기의 영향을 받아 미세 입자 표면에 발생하는 수분 응축 현상도 함께 억제시켜, 센서의 측정 신뢰도를 함께 높였다. 이처럼 이번에 개발된 센서는 외부 환경 요인 (온도, 습도)에 크게 구애를 받지 않는 장점을 지녀, 향후 다양한 산업 분야에 활용이 기대된다.

 

 

DGIST 로봇공학전공 김회준 교수는 “대기 미세먼지 계측 센서를 연구하여 미세 입자 센서 기술 개발에 관심을 갖게 됐다”며 “단순히 대기 미세먼지 센서를 개발하는 것에 멈추자 않고 실제 응용 분야에 맞는 소자 개량을 통해 다양한 환경에서 적용할 수 있는 미세 입자 센서 개발을 목표로 연구를 계속할 것이다”고 했다.

 

한편, 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 환경공학 분야 권위 있는 국제 학술지 중 하나인 ‘Journal of Hazardous materials’에 10월 20일 (수) 온라인 게재됐다.

DGIST 대구경북과학기술원대외협력팀

 

 

 

 

[전문]

https://www.dgist.ac.kr/kr/html/sub06/060102.html?mode=V&no=74805d842da80e1f8ede14664edb8327

 

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