국외 분리막 소식

█ CO2/N2 분리를 위한 고고성능 탄화 ZIF-8 도핀 하이브리드 탄소 분자 체 멤브레인 PEK-C기반의 하이브리드 탄소 분자 체에 탄화시킨 ZIF-8을 도입하여 CO2/N2 분리 성능을 향상시킨 연구를 제시하였다. ZIF의 리간드가 탄화 되고 금속이온이 금속 센터로써 작용하여 카본 매트릭스 층에 추가인 기공을 추가하여 뛰어난 CO2 선택도와 투과도를 동시에 향상시켰다. PEK-C를 단독으로 사용하여 제조한 멤브레인보다 ZIF-8를 추가하여 제작한 멤브레인의 경우 CO2 투과도가 1.8배 가량 높게 측정 되었다. 15 질량%의 탄화된 ZIF-8을 넣었을 때 24.08의 CO2/N2 선택도가 나타났다. 탄소체로써 탄화된 ZIF-8를 도입하였고 이는 선택도와 투과도 문제의 트레이드 오프 문제를 해결할 수 있다. [Journal of Membrane Science (2022) 120610]


█ 실리카 네트워크 기반 나노채널을 가진 전고체 슈퍼커패시터용 자기조립 블록 공중합체 전해질블록 공중합체(BC)의 친수성 도메인은 이온의 빠른 이동을 위한 연속적인 경로를 제공하는 반면, 블록 공중합체의 소수성 도메인은 기계적 강도를 높일 수 있는 골격을 제공한다. 따라서 양친수성 블록 공중합체 막은 3차원 연속적 Macro size의 기공을 갖는 독특한 형태 때문에 에너지 저장 분야의 유망한 재료로 널리 연구되고 있다. 본 연구는 비전도성 이온성 액체(ILs)를 고체 전해질로서 포함하는 poly(styrene)-b-poly(2-vinylpyridine) 블록 공중합체 기반 실리카 네트워크 구조의 계층적 다공성 막을, 비용매 유도 상분리 및 비수해성 졸-겔 공정을 통해 설계했다. 자기조립 블록 공중합체 내에 실리카 나노입자 네트워크의 도입은 마이크로 및 나노 규모의 다공성 구조로 이어진다. 이는 높은 IL 흡수율 (87 wt%), 높은 유전율 (123), 낮은 이온 전도 활성화 에너지 (6.8 kJ/mol), 높은 상온 이온 전도도 (순수 IL에 상당하는 약 10-3S/cm)를 갖는 기능화된 BC/IL계 전해질(BCEs)을 제공한다. 최적화된 BCE는 활성탄 전극으로 조립되어 전고체 상태의 슈퍼 커패시터를 제작할 수 있다. 이 장치는 넓은 전압 창(2.5 V), 높은 비용량(0.2 A/g에서 ~90 F/g), 큰 에너지 및 전력 밀도 (224 W/kg에서 최대 19 Wh/kg, 1.3 kW/kg에서 최소 4 Wh/kg), 그리고 전기화학적 안정성 (600 cycles 에서 정전 용량 90% 유지, 0.2 A/g 조건 1000 cycles에서 쿨롱 효율 100%)을 보인다. 결론적으로 자기조립, 상 반전, 계층적 이중기공 구성을 조합하면서 신속한 이온 이동을 제공하여 차세대 에너지 저장 장치에 동력을 공급하기 위한 새로운 접근 방식이 될 수 있다.[Chemical Engineering Journal, Volume 429, 2022, 132273]


█ 크라운 에터 (crown-ehter) 함유 폴리이미드막에서 free volume 조절을 통한 기체분리막 개발이 연구에서는 일련의 크라운 에터를 포함하는 폴리이미드막을 기체분리막에 적용하였다. 고분 골격에서 (BDF) 와 (DAmDB21C7)의 공중합은 자유부피 (free-volume)과 기공크기 분포도에 큰 영향을 주는 것으로 관찰되었으며 이를 통해 기체 선택도 (selectivity)가 대조군에 비해 크게 증가하였고 동시에 투과도 (permeability)는 감소하였다. Crown-ether가 없는 기체분리막과 비교를 하였을때, 30 mol%의 DAmDB21C7 분리막은 He/CH4, H2/CH4, CO2/CH4, CO2/N2에 대해 각각 약 204.8%, 198.8%, 123.2%, 115.4%의 가스 선택도 증가를 달성하였다. CO2/CH4의 경우 막의 투과선택도는 2008년 로브슨의 상한에 거의 도달했다. 이 연구를 통해 크라운 에테르 함유 폴리이미드 분리막 계열의 다른 분리막의 기공과 free-volume 조절을 통한 높은 순도의 기체분리막으로의 전망을 나타내었다.[Separation and Purification Technology Volume 293, 15 July 2022, 121116]



█ 마이크로 채널이 내장된 종이 분리막에 의한 미세 유체 연료전지의 가스제거 및 셀 성능 향상 미세 유동형 연료전지(MFC)에서 발생하는 기포는 전극의 활성 표면적을 덮고 셀 성능을 크게 제한한다. 본 연구에서는 마이크로 채널 중간에 종이 분리막을 내장하여 기포 제거를 효과적으로 가속화하고 셀 성능을 향상시킬 수 있는 실현 가능한 접근방식을 제안한다. 버블 거동의 시각화 및 그에 따른 전기화학적 측정은 버블이 셀 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 수행된다. 기포의 성장과 제거의 주기적인 과정은 MFC의 전류 밀도의 변동을 초래한다. 마이크로 채널에 여과지 층을 내장한 후 급속한 가스 제거와 낮은 옴 저항이 관찰되어 연료 전달이 개선되고 옴 손실이 작아졌다. 전류 밀도는 더 자주 변동하지만, 변동 진폭이 감소하여 셀 성능이 향상된다. 종이 분리막이 없는 MFC와 비교하여 종이 분리막이 있는 MFC의 최대 출력 밀도 및 제한 전류 밀도는 각각 25.2%, 130% 증가하였다. 또, 반응 용액의 유량이 증가함에 따라 셀 성능이 향상되고, 1500μL min-1의 유량에서 피크 출력 밀도가 25.9mW cm-2를 달성한다.[Energy., 2022, 239, 122098]

█ high-temperature proton exchange membrane fuel cell본 연구는 천연 vermiculite (Verm, 질석) 에서 유래한 실리카 나노시트(SN)를 polyethersulfone–polyvinylpyrrolidone (PES–PVP) 중합체에 성공적으로 포함시켜 고온 양성자 교환막(HT-PEM)을 합성하였다. SN 필러의 함량을 0.1~0.75 wt%로 변경하며 양성자 전도도, 출력 밀도 및 내구성에 미치는 영향을 연구하였다. SN의 수산화기를 통해 양성자 이동 통로를 형성할 수 있었으며, 유기-무기막은 SN의 함량이 0.25 wt% 일때 150°C 에서 가습 없이 48.2 mS/cm의 향상된 양성자 전도도와 495 mW/cm2의 출력 밀도를 보였다. 또한, 각각 액상 박리법과 실란 축합법으로 제조된 박리 SN(E-SN)과 설폰화 SN(S-SN)을 간단한 블렌딩법으로 PES-PVP 고분자 매트릭스에 내장하였다. S-SN에서 술폰기들의 기여로 0.25 wt% S-SN의 막은 150°C에서 가장 높은 양성자 전도도 51.5 mS/cm, 피크 출력 밀도는 546 mW/cm2에 도달하였으며, 이는 PES-PVP 막보다 48% 더 높았다. 기존 PES-PVP 막과 비교하여 SN이 첨가된 하이브리드 복합 막은 150°C에서 연료전지에 대한 우수한 내구성을 보여주었다. 본 연구는 천연 점토 광물로부터 편리하게 2D SN을 제작할 수 있으며, SN의 박리 및 기능화 전략은 HT-PEM의 생산에 크게 기여▶▶기술뉴스 | 국외 분리막 소식Membrane News membrane.or.kr 10June 2022 Volume 20, No.1할 수 있을 것이다.[Journal of Energy Chemistry 64 (2022) 323-334]

█ 내열성 및 난연성 복합막과 불연성 전해질을 활용한 리튬이온전지의 안전성 및 성능 향상 본 발명에서는 불연성 전해액(즉, TMP에서 0.8 M LiPF6/10 vol% FEC)과 일치하도록 자립형 나노-CaCO3계 복합막(nano-CaCO3-based composite membrane, CPVH)을 제작하였다. 복합막은 PP 분리막에 비해 여러 장점이 존재하는데, PVDF-HFP 및 CaCO3는 인산염계 전해액과의 친화성이 좋아 전해액 흡수 및 리튬 이온 전이수가 용이하다. 또한 높은 열적 안정성과 중화 활성을 갖는 저렴한 나노-CaCO3는 LiPF6계 전해질에 필연적으로 존재하는 산성물질을 찾아 없앨 뿐만 아니라, 극도의 고온 또는 화재 조건에서도 복합막에 일체성을 부여해 줄 것으로 기대할 수 있다. 마지막으로, 복합막의 내열성 및 내화성은 배터리가 고온에서 쇼트되는 것을 방지하고 열폭주 시 방열을 감소시키는 데에 유리하다.LIB에 사용된 유무기 복합막에 대한 이전 연구에 비해, 본 연구는 사용 가능하고 경제적인 재료를 사용하여 간단한 방법으로 필름을 제작하였다. 또한, 상기 멤브레인은 내열성, 내화성, 열적 안정성(300oC에서 거의 수축되지 않음), 열방출성(PP 대비 ~11%), 전기화학성능(0.5C에서 방전용량=133.6 mAh g-1) 등의 형태로 우수한 성능을 나타내며, 사이클 수명이 긴 전지(120°C 및 2C에서 용량 유지율=98.4%, 평균 쿨롱효율=98.0%)를 제공하였다. 특히, 이러한 결과는 CPVH 막이 불연성 전해액과 결합하고 우수한 성능과 높은 안전성을 가진 고급 LIB에 적용될 가능성이 있음을 보여준다.[ Chemical Engineering Journal Volume 432, 15 March 2022, 134394]

█ 아연-이온전지용 PAN 세퍼레이터의 컨디셔너에 의한 아연 증착 거동 조절수계 아연-이온 배터리(AZIB)는 높은 안전성 및 비용 효과로 인해 대규모 에너지 저장의 유망한 후보이다. 그러나, 함께 축적되어 분리막을 쉽게 관통하는 모호하게 제어되지 않은 Zn2+ 증착으로 인해 어려움을 겪는다. 여기서 3D 장거리 순서형 폴리아크릴-로니트릴(PAN) 나노섬유 분리막은 이러한 장벽을 극복하기 위해 설계되었다. 분리막 표면의 N 원자는 이온 플럭스를 균일하게 분포시키고 이용 가능한 N-Zn 결합을 통해 양이온 수송을 유도한다. 따라서, 음극 상의 전계가 균일하게 분포되어, 아연 이온의 핵 형성, 성장 및 석출에 도움을 준다. 이러한 작용기로부터 유리하게, PAN 분리막을 갖는 Zn 대칭 셀은 바람직한(101) 결정학적 배향을 갖는 장기 안정성과 덴드라이트 없는 증착층을 나타낸다. 한편, Zn/NH4V4O10 셀은 10Ag-1에서 1500 사이클 후 89.2% 용량 유지율(capacity retention)으로 높은 비용량 및 우수한 장기 내구성을 나타낸다. 본 연구는 기능성 분리막의 설계가 Zn2+ 증착 거동을 수정하고 덴드라이트 없는 Zn 금속 음극을 달성할 수 있는 효과적인 방법을 제공하는 것을 보여준다.[Advanced Functional Materials, Volume 32, Issue 14 2109671]



국내 분리막 소식

█ 경상국립대, 리튬-황 전지 초 경량화 성공경상국립대학교 에너지 공학과 정현영 교수팀이 선택적으로 이온을 통과시키는 분리막을 적용해 리튬-황 전지의 고질적 문제를 해결하고 상용화를 앞당길 수 있는 기술을 개발했다. 리튬-황 전지는 에너지 밀도가 리튬 이온 전지에 비하여 5배나 높고 자연계에 풍부한 황을 전극 물질로 사용해 미래 이차 전지 시장을 이끌어 가기위한 핵심 기술 중 하나로 여겨진다. 리튬-황 전지는 정부의 'K-배터리 발전 전략'에 따라오는 2025년까지 상용화하는 것을 목표로 우리나라의 이차전지 기술력 확보를 위한 핵심 기술로 연구개발(R&D)되고 있다. 그간 리튬-황 전지는 장치 구동 중 폴리설파이드의 용출 및 황의 부피 팽창으로 인한 수명•안전성 저하라는 난제가 존재하여 상용화에 어려움을 겪고 있고 구성 요소 중 분리막은 이온 전달을 위한 통로 및 양 전극을 분리하는 역할 로서만 사용되고 있다. 그러나 정현영 교수팀이 개발한 초경량 하이브리드 분리막은 폴리설파이드를 막고 선택적으로 리튬 이온만을 통과시켜 리튬-황 전지의 우수한 용량 및 수명 특성을 입증해 리튬 황 전지에서 폴리설파이드 용출이라는 난제를 극복한 우수한 연구로 평가받고 있다. 특히 개발된 초경량 분리막은 360도 구부려도 멀쩡한 유연한 특성을 가졌으며 기존 분리막은 120℃의 온도에서 변형이 일어나는 반면 이번에 개발한 리튬 황 전지는 300℃ 이상의 고온에서도 안정적인 특성을 보여 극한의 상황에서 작동 가능한 획기적인 연구 결과로 평가받는다. 교신저자인 정현영 교수는 "이번 연구 결과가 초경량 전지가 사용되는 항공기 및 첨단 기기 개발에 도움이 되고 우리나라 이차전지 시장을 이끌어갈 리튬-황 배터리 연구의 초석이 되었으면 한다"고 기대했다. 출처: 쿠키뉴스(http://www.kukinews.com/)

█ 경기대학교&KIER, 수용성 희생층을 활용한 태양전지용 다결정 실리콘 멤브레인 제조
본 연구에서는 수용성 산화물 희생층을 이용하여 그 위에 실리콘을 성장한 후 희생층을 해리함으로써 실리콘 멤브레인을 제조하는 공정을 소개하였다. 현재 본 연구를 통해 정립된 실리콘 멤브레인 제조 공정을 결정질 실리콘 태양전지 제조에 응용할 수 있는 최소 두께인 50 um 웨이퍼 제조에 적용하여 후속 연구를 진행하고 있으며, 또한 비정질 실리콘 멤브레인 또한 유연 기판을 이용한 박막형 태양전지 제조 공정에 적용하여 후속 연구를 진행하고 있다. 본 연구에서 제안한 실리콘 멤브레인 제조 공정 ▶▶기술뉴스 | 국내 분리막 소식Membrane News membrane.or.kr 12June 2022 Volume 20, No.1및 이를 대면적화 하는 공정이 확립되면 기존의 결정질 실리콘 태양전지 제조 공정에서 polysilicon 제조 및 ingot 제조 공정을 건너뛰는 것이 가능하게 되어 비용 절감에 큰 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다. 나아가서 본 연구에서 제안하고 있는 공정은 실리콘을 넘어서 기타 다른 물질에도 적용 가능하기 때문에 대면적의 멤브레인 제조가 필요한 다른 소재 또는 디바이스에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구 결과는 2022년 1월 28일자 ‘Ceramist Vol. 25, No. 1, pp. 52~62, 2022’ 온라인판에 게재됐다.본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기 술 평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행되었다.출처 : Ceramist Vol. 25, No. 1, pp. 52~62, 2022’

█ DGIST, 기존 공정 그대로 활용한 분리막 신기술 개발 DGIST는 에너지공학과 이용민 교수, 한밭대 유명현 교수 공동 연구팀이 리튬이온전지용 고내열성 세라믹/바인더 가교 분리막 기술을 개발했다고 밝혔다. 분리막은 전지의 높은 에너지밀도를 위해 박막과 경량화가 필수적이지만, 세라믹 코팅층의 두께 및 무게를 낮출 경우 분리막에 요구되는 내열성을 확보하지 못해 전지의 안전성에 큰 악영향을 주어 기술적으로 매우 어렵다. 이를 해결하기 위해 내열성이 우수한 신소재를 도입하거나 코팅층 내부에 화학적 반응을 통해 분리막의 내열성을 높이는 연구가 진행되었으나, 높은 원재료 비용과 복잡한 공정으로 인한 대량/대면적 생산이 어려워 상용화가 불가능하다는 문제가 여전히 존재한다. DGIST 이용민, 한밭대 유명현 공동 연구팀은 세라믹 표면에 폴리도파민을 코팅하여 이를 세라믹 코팅층 내 바인더와 연결시켜 높은 내열성을 갖는 분리막 기술을 개발했다. 세라믹 코팅 분리막 제조 과정 중에 미리 폴리도파민이 코팅된 세라믹을 사용하면 분리막 건조 과정 중 슬러리 내 바인더와 축합반응을 통한 가교 구조를 형성하게 되고, 이는 세라믹 코팅층 전체의 물성에 막대한 영향을 미쳐 내부 접착력을 크게 향상시킨다. 그 결과, 세라믹 코팅층이 전해질에 함침되어도 접착 특성을 유지할 뿐만 아니라 분리막이 고온에 오랜 시간 노출되어도 수축되지 않는 우수한 내열성을 보임을 실험적으로 검증했다. DGIST 이용민 교수는 “본 기술은 별도의 복잡한 공정없이 분리막의 내열성을 크게 높일 수 있어 다양한 차세대 이차전지의 분리막 소재로 활용될 수 있으며, 해당 기술을 더욱 고도화하여 이차전지의 분리막 시장의 핵심기술로 자리 잡을 것”이라며 포부를 말했다.출처: 이데일리 (https://tk.newdaily.co.kr/)

█ 박수진•최남순 UNIST 교수팀, 늘어나는 배터리용 분리막 소재 개발고무처럼 ‘늘어나는 배터리(stretchable battery)’를 완성할 기술이 개발됐다. 배터리의 양극과 음극 사이에 들어가는 ‘분리막’을 늘어나게 만든 최초의 시도다.UNIST는 “에너지 및 화학공학부의 박수진•최남순 교수팀은 ‘늘어나는 배터리’에 적합한 ‘늘어나는 분리막’을 개발했다”고 28일 밝혔다. 분리막은 양극, 음극, 전해질과 더불어 배터리를 구성하는 핵심요소 중 하나다. 양극과 음극 사이를 분리함으로써 단락 현상을 막고, 이온의 이동통로를 제공한다. UNIST에 따르면, 기존 ‘늘어나는 배터리’ 연구는 전극 물질이나 배터리 시스템 변형에 초점을 두고 진행됐다. 이때 분리막은 주로 ‘겔(gel) 고분자 전해질’이나 ‘부직포 형태’를 썼는데, 제조과정이 복잡하고 비쌌다. 13▶▶기술뉴스 | 국내 분리막 소식이에 박수진-최남순 교수팀은 간단하고 값싼 방법을 이용해 분리막 자체를 늘어나는 형태로 개발하는 방법을 제시했다. 연구진은 ‘스티렌-부타디엔-스티렌 고무(Styrene-Butadiene-Styrene rubber, SBS 고무)’를 재료로 써서 늘어나는 성질, 즉 연신성(延伸性)을 확보했다. 또 이 물질을 용매에 녹였다가 다른 용매에 담가 상(相)을 분리시키는 ‘상전이(相轉移) 방법’을 써서 균일한 구멍을 많이 형성했다. 이렇게 만든 ‘늘어나는 분리막’은 기존 리튬이온배터리에서 정상 작동했을 뿐 아니라 2배 이상 늘려도 분리막 역할을 잘 수행했다.SBS 고무는 고유한 특성 때문에 어떤 용매에서는 잘 녹고, 어떤 용매에서는 잘 녹지 않는다. 만약 SBS 고무를 잘 녹이는 용매 속에서 다른 용매가 섞이면, 증발시킬 때 다공성 구조가 만들어진다. SBS 고무를 잘 녹이지 못하는 용매가 사이사이에 끼어들어 구멍이 만들어지는 것이다. 제1저자인 신명수 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 “고무 재료가 다양한 용매와 상호작용하면서 여러 가지 다공성 구조를 만들게 된다”며 “그 결과 배터리용 분리막에 적절한 다공성 구조를 가지면서 고무처럼 잘 늘어나는 연신성을 유지할 수 있다”고 설명했다. 또 다른 1저자인 송우진 UNIST 박사는 “상전이 방법은 다양한 고분자에 적용 가능한데, 늘어나는 배터리용 분리막 제조에는 처음 시도됐다”며 “재료와 용매, 상전이 조건 등을 조정하면 원하는 특성을 만들어낼 수 있다”고 설명했다. 연구진은 ‘늘어나는 분리막’을 현재 대중적으로 사용하는 ‘유기 전해질 기반 리튬이온배터리’에 적용했다. 그 결과 정상일 때는 물론 2배 이상 늘어난 상태에서도 분리막 기능을 제대로 수행했다. 또 폭발 위험성이 없는 차세대 이차전지인 ‘수계 전해질 기반 리튬이온배터리’에 적용하자 배터리 성능 자체를 높였다. 최남순 교수는 “이번 연구에서 유기 전해질 기반 리튬이온배터리뿐 아니라 수계 전해질 기반 시스템에도 적용할 수 있는 분리막이라는 걸 입증했다”이라며 “겔 고분자 전해질을 주로 사용해왔던 배터리 시스템에도 적용 가능할 것”이라고 내다봤다. 연구 전반을 주도한 박수진 교수는 “이번 성과는 상전이 방법으로 늘어나는 배터리의 분리막을 개발하고 적용한 최초의 사례”라며 “배터리 분야뿐만 아니라 다양한 웨어러블(wearable) 기기 분야에 적용 가능한 ‘다공성 막’ 제작 기술로 자리 잡을 것”이라고 전망했다. 이번 연구는 에너지 분야에서 권위를 인정받고 있는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials) 6월 21일자 온라인판에 발표됐다. 연구 지원은 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업(나노 기반 소프트일렉트로닉스 연구단)을 통해 이뤄졌다.출처 : 에듀동아 (http://edu.donga.com/)

█ 경상국립대-인하대, ‘리튬수지상 해결 기술 개발경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 정현영 교수팀과 인하대학교 함명관 교수팀이 공동 연구를 통해 배터리 기술에서 50여 년간 숙원이던 리튬 금속 배터리의 수지상 성장 문제를 해결할 기술을 개발했다. 연구 결과는 재료과학 분야 상위 7%의 학술지 '스몰(Small)'(IF=13.281) 최신호에 '수지상이 없는 금속 배터리를 위한 리튬 친화적인 그래핀 양자점을 이용한 견고하고 매우 부드러운 리튬 금속 계면(Robust, Ultrasmooth Fluorinated Lithium Metal Interphase Feasible via Lithiophilic Graphene Quantum Dots for Dendrite-Less Batteries)'이라는 제목으로 게재됐다. 또한, 이 연구결과는 연구는 '어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)'(IF=30.849)의 핫 토픽(Hot topic)으로도 선정됐다. 1970년대 미국의 스탠리 휘팅엄 교수가 고안한 리튬 금속 배터리는 3860mAh/g의 이론 용량을 나타내며 현행 리튬이온 배터리(372mAh/g)에 비해 10배 이상의 용량을 갖는다. 하지만 현재까지 리튬 금속 배터리는 많은 연구에도 불구하고 수지상이라는 Membrane News membrane.or.kr 14June 2022 Volume 20, No.1한계를 넘지 못하고 있다. 리튬 금속 배터리는 충•방전을 거듭할수록 리튬 표면에 나뭇가지 모양으로 리튬이 자라나는데 이를 '수지상(樹枝狀) 성장(成長)'이라고 한다. 수지상은 금속 배터리가 작동될 때 음극 표면에 바늘처럼 자라 분리막을 뚫고 배터리를 파괴해 성능 및 안전성을 해치는 문제로 여겨지고 있다. 50여 년간 많은 연구진이 풀기 위해 노력했지만 해답을 찾지 못했다. 하지만 공동 연구팀이 개발한 리튬 친화적인 그래핀 양자점이 적용된 배터리는 리튬 금속 배터리의 한계를 극복한 놀라운 성과로 받아들여지고 있다. 공동 연구팀이 개발한 기술은 기존 리튬 금속 배터리 성능을 2배 향상시켰고 2000시간 동안 작동해 매우 우수한 성능 및 안전성을 보였다. 공동 연구팀은 나노 크기보다 작은 그래핀 양자점 물질을 이용해 분리막에 간단하게 코팅함으로써 리튬 금속 표면의 수지상이 성장하는 것을 억제했다. 이를 통해 배터리의 안전성과 수명 문제를 해결해 리튬 금속 배터리 문제의 실마리를 제공한 연구결과로 주목받고 있다. 또한, 공동 연구팀의 금속 배터리는 고 전류(5mA/cm2)에서 3500시간 동안 전압 안정성을 확보해 기존 리튬 금속에 비해 350배 이상 우수한 성능을 나타낸 획기적인 연구 결과로 평가받고 있다. 더 나아가 연구팀이 개발한 물질을 리튬 황 배터리에도 적용해 리튬 황 배터리의 문제로 꼽히는 폴리설파이드를 억제하고 금속 표면을 안정화시켜 매우 우수한 성능 및 안전성 결과를 선보였다. 책임 교신저자인 정현영 교수는 "리튬 금속 전극을 개질하기 위해 기존에는 비싼 장비와 기술을 필요로 해 상업화의 큰 장벽이 있었다면, 우리의 연구는 현재 사용 중인 분리막에 그래핀 양자점을 코팅하는 간단한 공정만으로 쉽게 리튬 금속 배터리의 성능을 향상시킬 수 있기 때문에 더욱 쉽게 상용화할 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부/한국연구재단의 기초연구실 지원사업과 교육부/한국연구재단의 지역대학우수과학자, 개인기초연구 지원사업의 지원을 받아 수행했다.출처 : CNB뉴스(https://www.cnbnews.com/)

█ 연세대, 고효율 탄화수소 분리 위한 분리막 원천소재 개발연세대학교 화공생명공학과 김대우 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 프로필렌•프로판 분리용 혼합기질막을 개발함으로써 연간 시장 규모가 10조 원에 이르는 프로필렌 공정 분야에서 공정 단가와 생산 에너지를 크게 절감할 수 있는 기술을 구현했다. 프로필렌은 음식 용기 제조에 주로 사용되는 합성수지인 폴리프로필렌과 반도체 생산, IT 부품 세척, 소독제에 사용되는 아이소프로필 알코올 생산에 필요한 주원료로서, 전 세계 연간 생산량이 1억 톤에 달한다. 프로필렌 생산 과정에는 고순도화 작업이 필수적으로 요구되는데, 그중 프로필렌•프로판 분리 공정은 처리가 매우 어렵다고 알려져 있다. 통상적으로 이 공정은 두 물질의 끓는점 차이에 기반한 냉각 증류법을 활용하는데, 비슷한 분자구조로 인해 끓는점의 차이가 불과 5℃ 이내로 유사해 분리공정에 많은 설비와 비용이 요구된다. 연세대 김대우 교수팀이 개발한 분리막은 가압 시 프로필렌만을 선택적으로 투과할 수 있어, 액화과정 없이 프로필렌•프로판의 분리가 이뤄진다. 이에 따라, 기존의 냉각공정에 드는 에너지를 절감하고 시설 비용을 효과적으로 감축시킬 수 있다. 이론적으로 고성능 분리막을 적용함으로써 에너지 절감을 최대 45%까지, 생산 단가를 73%까지 낮출 수 있을 것으로 예측된다. 연구팀은 고성능 분리막 제작을 위해 높은 종횡비를 가지는 판상형 분자체를 합성하고, 폴리이미드 계열 고분자 속에 수평적으로 정렬해 혼합기질막을 구현했다. 여기서 분자체는 제올라이트형 금속 유기골격체(ZIF-8)를 바탕으로 합성됐다. 이는 0.4 나노미터(nm)의 특징적 기공으로 인해 프로필렌은 투과 가능하나 프로판은 투과하지 못하게 막아 기체 분자 크기를 바탕으로 프로필렌•프로판 분리를 할 수 있다. 특히 이번 연구의 핵심은 기존에 3차원 등방성 구조로만 얻어지던 다공성 입자를 판상형으로 얻어 내는 템플릿 기반 상전이기법에 있다. 그래핀 등 다양15한 이차원 소재가 근 10년간 활발히 연구됐지만 탄화수소에 선택성을 가지는 이차원 소재는 매우 제한적으로 보고돼 왔으며, 특히 프로필렌•프로판 분리에 쓰일 수 있는 소재는 보고되지 않았다. 본 연구는 화학적으로 불안정한 2차원 템플릿을 다공성 구조로 전환하는 방법을 이용했으며, 대표적으로 ZIF-8 타입의 구조를 구현했다. 연세대 김대우 교수는 “석유화학, 수소 경제, 에너지 저장 소자 등 다양한 분야에서 고성능 분리막에 대한 수요가 커지고 있다. 2차원 다공성 소재는 고성능 분리막을 구현하기 위한 꿈의 소재이지만, 매우 제한된 물질만이 보고됐다. 특히 나노미터의 백분의 일 수준의 크기를 분별해야 하는 탄화수소 분리에 사용될 수 있는 소재는 전무하다”라며 “이번 연구를 통해 높은 종횡비를 가지는 분리 소재를 합성할 수 있는 원천기술을 확보했고, 향후 다양한 소재•응용 분야로의 적용이 이뤄질 것으로 기대된다”고 전했다.[출처: 테크월드뉴스(http://www.epnc.co.kr)]

█ UNIST, 청바지 염료로 배터리 분리막 코팅해 배터리 수명•안전성 확보 최근 전기자동차(EV)나 에너지저장시스템(ESS) 시장이 커짐에 따라 더욱 높은 에너지 밀도의 전지 수요가 많이 늘어나고 있다. 최근 청바지 염료로 더 오래가고 안전한 대용량 배터리를 만드는 기술이 개발됐다.UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 프러시안 블루 염료를 배터리 분리막에 코팅해 배터리 수명과 안전성을 확보하는 기술을 개발했다. 분리막에 코팅된 염료가 양극에서 녹아 나온 전이금속 이온을 포집해 이 이온이 음극 쪽으로 흘러 들어가는 것을 막는 기술이다. 전이금속 이온이 분리막을 그대로 통과하게 되면 배터리 전해액이 고갈되고, 음극 표면에 원치 않는 물질이 끼는 것과 같은 부반응이 잘 일어나 배터리 용량이 줄고 화재 위험이 커진다.▲ 기존의 분리막을 쓴 경우와 프러시안 블루 코팅 분리막을 쓴 경우 배터리 내부 반응 비교금속 이온이 음극에 달라붙어 전기 저항이 큰 얇은 막을 만들고, 전해액을 고갈시키는 부반응이 대표적이다. 전해액이 고갈되면 배터리 용량이 줄어드는 문제가 있다. 또 음극 표면에 생긴 이 얇은 막은 전지 단락과 화재의 원인인 리튬 수지상(전극 표면에 뾰족뾰족한 형태로 자라난 리튬결정) 형성을 촉진한다. 연구팀은 이 문제 해결을 위해 분리막으로 전이금속 이온을 포집하는 새로운 접근법을 시도했다. 프러시안 블루가 다양한 이온을 수용 할 수 있는 구조적 특성이 있다는 점에서 착안했다.프러시안 블루를 코팅한 분리막을 쓴 고용량 배터리와 일반 고용량 배터리를 비교 실험해 이 같은 효과를 입증했다. 프러시안 블루로 코팅된 분리막을 쓴 경우 일반 분리막을 쓴 배터리보다 최종 용량이 30.2% 더 높았다. 배터리 용량 감소를 막은 것이다.또, 코팅 분리막을 쓴 경우 배터리 흑연 음극 표면에서 니켈이 거의 관찰되지 않은 반면, 일반 분리막을 쓴 배터리의 흑연 음극에서는 다량의 니켈이 검출됐다.에너지공학과 박사과정 박창현 연구원은 “간단한 ▶▶기술뉴스 | 국내 분리막 소식Membrane News membrane.or.kr 16June 2022 Volume 20, No.1분리막 코팅기술로 전이금속 용출에 의한 여러 부반응을 해결하고 배터리의 안정성을 크게 향상시켰다”며 “대용량 에너지저장장치에 대한 수요가 느는 만큼 다양한 형태의 배터리에 응용 가능할 것”라고 설명했다. 이번 연구에서 제시한 프러시안 블루 코팅 분리막은 전해액에 녹은 전이금속을 걸러주어 음극에서 발생하는 전지의 수명저하 및 내부 단락을 효과적으로 막아줄 수 있다. 또한, 코팅 방법이 쉽고 대면적 생산이 가능하여 상용화에 용이하다. 따라서 안정된 고에너지밀도 전지의 상용화에 기여할 전망이다. 이번 연구는 UNIST 사업화유망원천기술개발사업, 과학기술정보통신부•한국연구재단 신진연구사업, 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원으로 수행되었다.싱가포르 난양공과대학교 이석우 교수, UNIST 에너지화학공학과 이동욱 교수가 함께 참여한 이번 연구 결과는 나노소재 전문 학술지인 ‘나노레터스(Nano Letters)’에 12월 13일자 게재됐다.한음표 기자 hup@mtnews.net