포항공과대학교(POSTECH) AEMDL(Advanced Energy Materials & Devices Lab) 연구실은 Nigel Mark Sammes 교수님의 지도아래 미래의 중요한 에너지 공급원으로 기대되는 물질이나 에너지 시스템 개발에 초점을 맞춘 연구를 진행하고 있습니다. 주로, 배터리, 고체산화물연료전지에 관해 연구하지만 이에 국한되지 않고 에너지 물질의 다양한 응용분야에도 많은 관심을 갖고 있습니다. 새로운 물질을 합성하거나 그들의 전기화학적, 물리적 성질을 시험하고 어떻게 하면 이것들의 성능을 향상 시킬 수 있을지, 특정한 응용분야에서의 새로운 에너지 장치나 시스템 개발에 대해 많은 노력을 쏟고 있습니다.
Our laboratory is focused on developing new energy systems and materials which are expected to be of crucial importance to the world’s future energy supply. These included, but are not limited to batteries, solid oxide fuel cells and electrolyzers. The research we are carrying out includes synthesizing new materials, studting their electrochemical and physical properties and examining how these properties can be improved. We also develop novel energy decives and systems for particular niche applications.
고체산화물연료전지는 연료전지 중 가장 높은 효율을 자랑하는 에너지전환장치입니다. SOFC는 700~900도 정도의 높은 온도에서 운전되며, 자체연료효율과 heat recycle 시스템연료효율은 각각 60%와 80%에 달합니다. SOFC의 가장 큰 장점이라고 한다면 높은 운전온도로 인해 사용가능한 연료의 폭이 넓다는 것입니다. 순수한 수소만을 연료로 사용하는 다른 연료전지들과는 다르게 SOFC는 탄화수소, 바이오가스, 천연가스 등과 같은 연료를 내부개질 혹은 직접개질을 활용한 기술을 이용하여 전처리 없이 곧바로 활용할 수 있습니다.
SOFC의 상업화를 막는 몇 가지 장애물들이 있는데,
① 탄소침적(coking) : SOFC가 탄화수소를 연료로 한 조건에서 구동하면 anode에서 탄소침적이 발생하는데 이는 reaction site를 막아 성능을 감소시키게 됩니다.
② Sulfur poisoning : ppm 단위의 아주 적은 sulfur도 anode 표면의 Ni과 반응하여 Nickel sulfide를 형성하므로 SOFC의 성능을 감소시킵니다.
위 두 가지 문제점은 SOFC의 상업화를 이루어내기 위한 선행과제이며, 이를 위해 저희 연구실은 탄소침적(coking), sulfur poisoning 저항물질 개발 및 특별한 조건에서의 SOFC 구동 등에 관한 연구를 진행하고 있습니다.
(a) No additives, (b) 5mol% MnO, (c) 5mol% TiO2
2차 전지란 충전과 방전을 반복적으로 할 수 있는 전지를 말합니다. 리튬이온전지나 리튬에어전지는 높은 에너지 밀도로 인해 미래의 촉망받는 2차 전지라 할 수 있습니다. 높은 cycling 성능을 갖는 전지를 위해서는 이온의 지속적인 드나듬을 견딜 수 있는 안정한 전극구조와 높은 이온 전도성을 갖는 전해질의 개발이 요구됩니다.
Si-dopped LLZ의 Si 양에 따른 impedence
Unlike lithium ion battery, the Lithium Air battery consumes oxygen on the cathode. For this reason the theoretical specific energy of Li-air excluding oxygen is 11.5kWh/kg which is comparable to that of gasoline. This is the reason why Lithium air battery has a promising potential as the future energy source and storage.
저희 연구실의 연구는 전극과 계면에서의 고체상태와 전기화학 반응으로 인한 이온과 전자의 전도에 대한 기초적인 전기화학을 포함하고 있습니다. 전기화학적 에너지 생산에 초점을 맞춘 고체상태전도물질을 개발 할 수 있는 전기화학 측정장치나 장들을 이용가능합니다. 최근에는 리튬전지, Na/S 전지 등의 연구를 진행하고 있습니다.
여러가지 전기에너지 저장 기술 중에, 전기화학적 에너지 저장 시스템이나 전지는 ‘Carnot’ 사이클 없이 가역적인 에너지저장 및 방출이 가능하므로 높은 효율을 기대해 볼 수 있습니다. 양극과 음극사이에 선택적으로 소듐 이온을 전달하는 고체전해막이 있는데, 이로 가장 많이 사용되는 것이 베타-알루미나 입니다. 이러한 종류의 전기화학장치를 소듐/베타-알루미나 전지(NBBs)라고 합니다. 지난 수십년간 NBB 기술에서의 상당한 발전이 있어왔지만, 전지 제작과 비용 측면에서 시장진출에 어려움을 보이고 있기 때문에 여전히 연구할 만한 가치가 많은 분야라 할 수 있습니다.Our research topic covers the fundamental of electrochemistry including the general aspects of ionic and electronic conduction in the solid state and electrochemical reactions on the electrodes and interfaces.Electrochemical measurements, devices and finally uses of solid state conducting materials focusing onelectrochemical energy production are equipped. Current research work includes Li-battery, Na/S-battery and so on.
Among various electrical energy storage technologies, electrochemical energy storage systems or batteries are capable of reversibly storing and releasing electrical energy without involving “Carnot” cycles, thus potentially allowing for a high efficiency. One such technology is based on a solid electrolyte membrane that selectively allows sodium ion transport between a positive and negative electrode. As the most widely used solid electrolyte has been based on beta alumina, this type of electrochemical devices is often referred to as Na beta-alumina batteries (NBBs). Significant progress has been achieved in NBB technology during the past few decades. However, the batteries are still facing challenges in battery fabrication and cost for broad market penetration, thus there is a lot of work required to be performed in this field.
고체산화물전해전지(SOEC)는 장래가 촉망되는 연료생산과 에너지저장 기술입니다. 상업 고체연료전지를 높은 온도에서 역으로 운전(전기에너지생산이 아니라 전기에너지를 투입)할 경우 증기를 수소로, 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시킬 수 있습니다. 다양한 촉매공정을 통해 합성가스로 오늘날 사회 기반 시설에 필요한 탄화수소연료를 생산 할 수 있습니다. 전환효율은 높으나 내구성, 장기성능, 가격 등의 측면은 여전히 주요 장애요인으로 작용하고 있습니다. 현재 합성가스를 에탄올이나 메탄올로 전환시킬 수 있는 새로운 물질(BZY, BCY)을 개발하고 있습니다.
Production of Ethanol/Methanol from Syngas using Solid Oxide Electrolysis
Solid oxide electrolysis cells (SOEC) are a promising technology for fuel generation and energy storage. Commercial solid oxide fuel cells (SOFC) have been used as SOEC by running them in reverse (i.e. applying electric current rather than harvesting it) at high temperature and electrolyzing steam to produce hydrogen or carbon dioxide into carbon monoxide. Through various catalytic processes, e.g. Fischer-Tropsch, syngas can be made into a variety of hydrocarbon fuels usable in today’s infrastructure.The efficiency is high; however durability, long-term performance, and material cost are major hurdles in the field. In our current work, a novel material for the membrane (i.e., BZY, BCY) is developed for the reaction of syngas into ethanol or methanol.
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