고려대-KBSI, 차세대 나트륨 전지 실용화 앞당길 전극소재 기술 개발(Prof. Kim's group and KBSI has developed the next-generation of electrode material technology)

▲ 왼쪽부터 고려대 박범철 박사(공동제1저자), 고려대 강용묵 교수(공동교신저자), 고려대 김영근 교수(공동교신저자), KBSI 조지웅 박사(공동제1저자)

국내 연구진이 차세대 나트륨 전지의 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 음극재 기술을 개발했다. 이론용량·가격 등의 한계가 존재하는 리튬이온전지를 대체할 새로운 이차전지 개발의 필요성이 요구되는 가운데, 고용량·저비용 나트륨 이온 전지의 상용화에 가속도가 붙을 것으로 전망된다.

고려대 신소재공학과 김영근·강용묵 교수 연구팀은 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI) 서울서부센터 조지웅 박사 연구팀과 공동으로 수산화철(FeOOH)에 기능성 유기물인 아세테이트 분자가 결합된 유·무기 하이브리드 전극 소재를 이용해 충·방전 용량 2배 이상, 효율 30% 이상 개선시키는 기술을 개발했다.

연구결과는 재료과학분야 세계적 권위 학술지 Journal of Materials Chemistry A에 9월 12일 게재됐다.

차세대 나트륨 전지에서 나트륨 이온을 고용량으로 저장·방출할 수 있는 전극 소재로, 경제성이 높은 수산화철이 각광받고 있다. 그러나, 수산화철은 원자 반경이 큰 나트륨 이온의 특성상 화학반응 및 전환반응 과정에서 수반되는 철이온의 급격한 산화수 변화와 결정구조의 불안정이 존재한다. 이로 인해, 전기화학 반응의 비가역성이 커지게 되고 이론용량보다 실제용량이 떨어지는 기술적 한계가 있었다.

이러한 불완전한 반응의 한계를 극복하고자, 수산화철-아세테이트 혼합 하이브리드 전극 구조를 개발하고 자연 상태에서의 생물학적인 철(Fe)의 산화-환원 반응을 모사했다. 이를 통해 전환반응 과정에서 발생하는 철 이온의 급격한 산화수 변화를 제어하고 안정적인 화학 반응을 유도해, 나트륨 이온과의 전기화학 반응을 가역적으로 만드는 데 성공했다.

공동연구팀은 수산화철과 아세테이트 성분을 층상구조 방식으로 결합했다. 층층이 쌓인 격자상수가 확장된 형태의 결정구조는 층간 간격을 더 크게 확보할 수 있게 돼, 리튬보다 원자 반경이 큰 나트륨 원자의 탈리·삽입을 쉽게 한다. 결과적으로, 후속 방전-충전 주기 동안 아세테이트와 수산화철의 산화-환원 결합으로 인해 생성된 탄산염은 나트륨 이온의 저장을 위한 안정적·가역적인 중심 창구 역할을 하게 된다.

이와 같이, 수산화철의 환원과 아세테이트의 산화가 결합된 반응은 자연 상태에서 보여지는 생물학적인 철의 산화-환원 반응 기작과 유사하다. 하이브리드 구조에서 무기물과 유기물이 상호 작용하는 산화-환원 반응을 통해 가역적인 전환 반응을 가능하게 함은 물론, 순수한 수산화철을 전극 소재로 사용했을 때에 비해 충방전 효율을 30% 이상, 용량은 100% 이상 증가시키는 등 나트륨 전지의 성능을 최고 수준으로 끌어올린 의미가 있다.

이러한 전극 구조의 폭넓은 활용을 통해 상용화가 가능한 수준의 고용량, 저비용 차세대 나트륨 전지 개발은 물론, 현재 상용화 중인 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 고용량, 고안정성 전극소재 개발도 가능할 것으로 기대된다.

고려대 김영근 교수 연구팀과 박범철 박사는 본 연구의 초기 아이디어를 확보해 각 실험에 필요한 시료준비 및 연구총괄을 맡았다. 고려대 강용묵 교수 연구팀은 유·무기 하이브리드 전극의 전기화학적 특성을 분석했다. KBSI 조지웅 박사 연구팀은 유·무기 하이브리드 전극의 충·방전 과정에서 발생하는 결정구조의 변화를 실시간 분석할 수 있는 in-situ XRD 분석법과 투과전자현미경을 활용해 결정구조의 변화를 정밀하게 분석했다.

고려대 강용묵 교수는 “전기화학적 반응을 통해 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 전극 소재에 대한 관심이 커지고 있는 상황”이라며, “유기물의 반응을 결합시켜 전환 반응을 가역적으로 만드는 시도는 향후 고에너지 밀도의 전극 소재를 개발하는 데 있어, 새로운 접근방법을 제시해줄 수 있을 것 같다”고 이번 연구 의의를 설명했다.

KBSI 조지웅 박사는 “이번 연구는 자연에 존재하는 화학 반응을 모사해, 이차전지 전극소재 개발에 적용한 매우 의미있는 연구결과”라며, “앞으로도 전극 물질의 결정구조 변화를 실시간 관찰할 수 있는 분석기술의 다양한 활용을 통해 상용화 단계의 에너지 전환 및 저장에 필요한 신소재 개발에 기여할 수 있도록 힘쓸 것”이라고 말했다.
 
이번 연구결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구사업과 과학기술정보통신부 과학기술일자리진흥원 연구장비 핵심기술개발사업의 지원으로 진행됐다.

[그림 1] In-situ XRD 분석법 및 투과전자현미경을 통한 충․방전 과정의 변환 메카니즘 분석결과n-situ XRD 분석법을 활용한 나트륨 삽입 과정에서의 수산화철-아세테이트 하이브리드 전극의 (a). 실시간 결정구조 변화 분석결과, (b). 충․방전 용량(시간)에 따른 결정구조 단계별 전압곡선 변화, (c, d). 비동시 투과전자 현미경(ex-situ TEM)을 통한 나트륨 이온 탈리 및 삽입 과정에서의 결정구조 변화 분석결과임. 초기 비정질구조의 수산화철이 나트륨이온의 삽입과정에서 산화철로 변화하고, 나트륨이 탈리 과정에서 다시 비정질 수산화철로 변화하는 것이 확인되었음.

 

[그림 2] 수산화철-아세테이트 하이브리드 전극의 층상구조 및 반응메커니즘 모식도

 

출처: 고대뉴스, 2022.10.12, 
https://www.korea.ac.kr/user/boardList.do?boardId=474633&siteId=university&page=1&id=university_060108000000&boardSeq=493686&command=albumView 

 

Bioinspired redox-coupled conversion reaction in FeOOH-acetate hybrid nanoplatelets for Na ion battery
J. Mater. Chem. A 10, 17740
[DOI: https://doi.org/10.1039/D2TA04990B]

The considerable interest in rechargeable batteries is causing a rapid increase in demand and a surge in the price of raw materials. Earth-abundant iron oxyhydroxide (FeOOH) is a promising candidate as an anode material for sodium-ion rechargeable batteries (SIBs). However, the application of FeOOH is hindered by numerous technical limitations arising mainly from the irreversibility of the conversion reaction. Here, we manipulate biotic Fe redox from FeOOH-acetate hybrid nanoplatelets (FAHPs) to make the resulting conversion reaction with Na ions highly reversible. The extended lepidocrocite-type FAHP, in which FeOOH and acetate components are stacked in a layer-by-layer assembly, undergoes facile initial intercalation owing to its large interlayer spacing. Consequently, the redox reaction coupled with FeOOH reduction and acetate oxidation occurs in a similar way to the biotic Fe redox reaction. During the subsequent discharge–charge cycles, carbonate produced by the redox coupling of acetate and FeOOH serves as a stable and reversible host for Na ion storage. This study establishes a novel method for enabling highly reversible conversion reactions and enhancing the electrochemical capacity using not only Na ions but Li ions through the exploitation of the interplaying redox of inorganic and organic materials in hybrid structures. 

고려대 김영근 교수팀, 고려대-삼성전자 산학협력 우수논문상 수상(Prof. Kim's group received the best paper award)

고려대학교 김영근 교수팀의 대학원생 김규원이 고려대-삼성전자 산학협력 우수논문상을 수상하였다.

Graduate student Mr. G. W. Kim received the Korea University-Samsung electronics best paper award.

Journal Paper
김규원(Mr. G. W. Kim): Variation of spin-orbit torque and spin transport properties by vanadium alloying in beta-W-based magnetic heterostructures

2022년도 ACS(American Chemical Society, Fall 2022)

Graduate students, Mr. J. H. Moon, Mr. S. W. Byun and Mr. D. B. Lee attended ACS(Ameican Chemical Society) held in Chicago, the US on August 21~25, 2022. 

 대학원생 문준환, 변상원, 이대범이 2022년 8월 21일부터 25일 미국 시카고에서 개최된 ACS(American Chemical Society)에 참석했다.

발표내용

  • 문준환: Electrochemical Strategies for Fabricating Hollow Nanocoils and Their Interfacial Reactions in Colloidal Solution
  • 변상원: Synthesis of super-hydrophilic PLA microfiber-ZnO nanowire composite and anti-bacterial properties
  • 이대범: New phase of ferric hydroxide having layered structure via acetate intercalation

2022년도 ISPSA (2022, the 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications)

Graduate students, Mr. J. H. Moon, Mr. J. Lee and Ms. J. Lee attended the 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications held in Jeju, Korea on July 17~21, 2022. Prof. Kim, an invited speaker, gave a talk about efficient spin-orbit torque switching driven by W-based alloys.

 대학원생 문준환, 이정규, 이지영이 2022년 7월 17일부터 21일 제주도에서 개최된 ISPSA(International Symposium on the Physics of Semiconductor and Applications)에 참석했다. 발표자로 초대받은 김영근 교수는 NFS(Novel Functional Spintronics) 세션에서 efficient-spin orbit torque switching driven by W-based alloys를 주제로 발표했다.

발표내용

  • 문준환: Single Ru and Ru-Co nanowire for studying electrical properties and microstructural evolution to alternate interconnect materials
  • 이정규: Spin-orbit torque properties of W-V alloy layers
  • 이지영: Measurement of magnetic phenomena via magento-optical Kerr effect microscope

 

2022년도 하계 한국자기학회 (2022 summer Conference of the Korean Magnetics Society)

Graduate students, Mr. J. K. Lee, Mr. H. S. Ko, Mr. H. E. Fu, Ms. J. Lee, and Ms. E. Jeong attended the 2022 Korean Magnetics Society summer conference held in Jeju, Korea on May 25~27, 2022. Prof. Kim, the president of the Korean Magnetics Society, gave a lecture on how to write practical English science papers at the tutorial session.

 대학원생 이정규, 고한석, 부홍은, 이지영, 정은진이 2022년 5월 25일부터 27일 제주도에서 개최된 한국자기학회 하계학술대회에 참석했다. 한국자기학회장인 김영근 교수는 tutorial session에서 실전 영어과학논문 작성법을 강연했다. 

발표내용

  • 이정규: Spin-orbit torque of W-V alloy based magnetic heterostructures
  • 고한석: Symmetry breaking by gradient Pt thickness in Pt/Co multilayer structures
  • 부홍은: Multifunctional magneto-optical nanoclusters for high sensitivity rotavirus detection
  • 이지영: The optical measurement of magnetic phenomena with magneto-optical Kerr effect
  • 정은진: 3-dimensional magnetostatic interactions in controllable magnetic Fe/Au barcode nanowire arrays


김영근 교수, 2022년도 고려대 석탑연구상 수상 (Prof. Kim received the Korea University Granite Tower Research Award)

석탑연구상은 전년도 연구업적 중 상위 3%를 차지한 교원에게 수여하는 상으로, 매년 고려대학교 개교기념일(5월 5일) 행사에서 관련 시상식을 진행한다.

특히, 김 교수는 지난 2005년 석탑강의상, 2016년 석탑기술상 그리고 2021년 석탑연구상을 수상했으며, 이번 석탑연구상 수상으로 2년 연속 수상한 쾌거를 이루었다.

https://eng.korea.ac.kr/eng/community/review.do?mode=view&articleNo=294806&article.offset=0&articleLimit=10&totalNoticeYn=N&totalBoardNo= 

Korea University The Granite Tower Research Award is given to professors who took the top 3% research achievements in the previous year. In addition, a related awards ceremony is held every year on May 5, Korea University Anniversary Day.

In particular, professor Kim won the lecture award in 2005, the techonology award in 2016 and the research award in 2021, and finally won the research award for the second consecutive year.

김영근 교수, KU 명예의 전당 등재 (Korea University Hall of Honor selected new members including Prof. Kim)

▲ 2022 한국공학한림원 신규 정회원 본교 공대 교수 3인 'KU 명예의 전당' 등재 안내

고려대학교 공과대학(학장 김용찬) 소속 교수인 김영근 신소재공학부 교수 외 2명이 최근 'KU 명예의 전당'에 등재됐다.

'KU 명예의 전당'은 권위 있는 학술기관의 회원으로 선출되거나 저명한 학술상을 수상해 본교를 빛낸 인물을 고려대 공식 홈페이지에 소개하는 콘텐츠다. 등재 대상은 본교 재직 중이거나 퇴직한 교원, 직원, 재학생, 졸업생 및 명예학위 수여자로, 학술기관 및 학술상은 KU 명예의 전당 운영위원회에서 심의를 통해 선정한다.

이번에 'KU 명예의 전당'에 이름을 올린 김영근 교수 외 2명은 2022년 한국공학한림원 신임 정회원에 선출된 공적을 인정받은 결과다. 무엇보다 남다른 연구력으로 글로벌을 넘나들며 출중한 성과를 만들어 내는 본교 공과대학은 매년 꾸준히 'KU 명예의 전당' 신규 등재자를 배출하고 있다.

 

Prof. Kim was named to Korea University Hall of Honor. 'KU Hall of Honor' introduces people who have benn elected as members of prestigious academic institutions or won academic awards. Recently, the National Academy of Engineering of Korea (NAEK) selected 45 new members, including Prof. Kim.

 

출처: 고려대학교 공과대학 NEWS, 2022.04.11.

 

공대뉴스 게시판읽기 ( [ KUCE People ] 공과대학 김영근 - 김용찬 - 안동준 교수 , KU 명예의 전당

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KU 명예의 전당  https://www.korea.ac.kr/mbshome/mbs/university/subview.do?id=university_040700000000