현종찬 학생(지도교수 윤영수),

차세대 알루미늄 이차전지 음극용 탄소나노튜브 집전체 개발

▲ 왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 현종찬 석사 과정 학생, 윤영수 교수

  폴리올레핀계 폐마스크를 열분해하여 생성된 탄화수소가스로부터 화학기상증착법을 통해 3차원 탄소나노튜브를 제조하였으며 알루미늄-금속 음극을 위한 집전체로 사용하여 농도저항이 크게 감소된 알루미늄-금속 이차전지를 구현함.

  알루미늄 이차전지는 2,980 mA h g-1/8,060 mA h cm-3의 높은 비용량/체적용량을 가지고 있는 알루미늄 금속을 음극으로 사용할 수 있으며, 이를 통해 전기자동차와 도심항공모빌리티(UAM)의 전력원으로 사용가능한 높은 에너지밀도와 출력특성을 나타낼 수 있어 고성능 차세대 이차전지로 많은 주목을 받고 있다. 하지만 현재 널리 사용되는 카보네이트/글라임계 유기 전해질을 이용할 경우, 알루미늄 금속 표면에 산화층이 형성되면서 이온의 수송을 현저하게 막는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 산화층 형성이 없는 특수한 조성의 이온성 액체 전해질을 사용함으로써 가역적인 알루미늄 금속 음극을 사용할 수 있는 연구결과가 보고되었다. 하지만 이온성 액체 전해질을 사용하면 기존의 배터리 시스템과 달리 알루미늄 음극에 용매화된 알루미늄 이온(음전하)이 흡착하여 상전이하기 때문에 매우 큰 저항이 발생하여 전지 성능을 저하시키는 문제점이 있다. 이러한 문제점에 착안하여 본 연구에서는 폐마스크를 열분해하여 생성된 탄화수소가스를 화학기상증착법을 통해 음이온의 흡착 및 상전이에 유리한 3차원 고결함성 탄소나노튜브를 제조하였으며, 이를 알루미늄-금속전지 음극으로 응용하여 >99%의 높은 쿨롱효율과 >1000 회의 안정적인 충/방전이 가능한 고성능 알루미늄 이차전지용 금속 음극을 개발하였다. 또한 흑연계 소재에 음이온이 가역적으로 삽입/탈리되는 반응을 유도하여 양극으로 활용하였으며, 탄소소재만으로 구성된 알루미늄 듀얼 이온 완전지를 개발하여 전기자동차 및 UAM 기술에 적용가능함을 입증하였다.

  본 연구내용은 KU-KIST융합대학원의 현종찬 석사과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며 하손 석/박 통합과정 학생, 강원대학교의 임형규 교수 연구팀, 인하대학교의 진형준 교수 연구팀 및 한국과학기술연구원의 임희대 박사 연구팀의 도움을 받아 진행되었다.

  본 연구는 지난 2월 22일 “Waste-induced pyrolytic carbon nanotube forest as a catalytic host electrode for high-performance aluminum metal anodes”의 제목으로 Chemical Engineering Journal에 온라인 게재 되었다.

그림 1. 폴리올레핀계 폐마스크의 열분해를 통해 형성된 하이드로카본 가스를 이용하여 화학기상증착법을 통해 제조된 3차원 고결함성 탄소나노튜브의 소재특성을 나타내는 데이터