KOSEN 한인과학기술자네트워크

  호서대학교 차세대에너지연구소(Research Institute of Advanced Energy, RIAE)는 2010년도에 설립된 교책연구소로, 황갑진 교수, 김재철 교수 및 유철휘 교수가 공동으로 차세대 에너지 분야에 대한 연구를 진행하고 있다.

  본 연구소에서는 태양광, 풍력발전과 같은 신재생에너지의 부하평준화와 원활한 전력공급을 위한 대용량 전력저장용 바나듐 레독스 플로우 전지(Vanadium Redox Flow Battery, VRFB), 21세기 청정에너지원의 하나로 연구되고 있는 수소에너지의 제조를 위한 알칼리 수전해(alkaline water electrolysis)와 기존 수퍼커패시터의 한계를 넘어 전기자동차 및 연료전지 자동차의 순간 전력 공급원으로 연구되고 있는 리튬이온커패시터(Lithium Ion Capacitor : LIC)에 대한 연구를 진행하고 있다.

  에너지자원 고갈 및 지구온난화와 같은 환경문제를 해결하기 위한 방법으로 최근 각광을 받고 있는 그린에너지와 에너지 저장 시스템에 대한 연구를 토대로 원천기술 확보 및 실용화에 대한 연구에 전념하고 있다. 또한 체계적인 연구 개발을 위해 학부 과정에서부터 학생연구원을 선발하여 각 전공 교수님들의 지도를 받고 있으며, 연구소 정기 세미나, 학회 발표 및 유관 연구소 방문을 통하여 실질적인 그린에너지 관련기술을 습득하는 등 인력양성에도 매진하고 있다.

1) 바나듐 레독스 플로우 전지(VRFB)

  최근 전세계적인 환경문제, 특히 지구온난화 가스의 발생 억제에 관심이 모아지면서 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용하는 발전시스템에 관한 연구 및 보급이 활발히 이루어지고 있다. 하지만 태양광, 풍력 등에 의한 재생에너지는 변동성이 높은 자연에너지에 의존하기 때문에 전력의 변동성에 대응하기 어렵고, 전력공급의 안정성을 확보하기 어려워 재생에너지의 변동성을 수용하고, 원활한 전력의 공급 및 발전설비의 효율적인 활용을 위해 대용량 전력저장 기술이 필요하다.

  대용량 전력저장 방법은 슈퍼 커패시터, 초전도 저장등과 같은 전기적인 방법, 압축공기 저장 플라이 휠 등과 같은 기계적인 방법, 납축전지, 레독스-흐름전지와 같은 2차전지에 의한 전기 화학적 방법이 있다. 

  우리 연구소에서는 이차전지 중에서 구조와 반응이 간단하고 대용량화, 장수명 및 안정성이 뛰어난 VRFB에 관하여 연구하고 있다. 주 연구분야는 주요 소재의 screening, 전기화학적 특성 및 스택 구조의 개선 등이다.

  V-RFB의 셀의 구성으로는 충?방전 상태의 양극, 음극 전해액이 혼합되지 않도록 하고, 이온 전도체의 역할을 하는 이온교환막, 다공성 탄소재료인 카본펠트와 같은 전극, 전자의 이동성이 좋고 전해액에 높은 내구성을 가지는 탄소플레이트 소재인 집전체로 되어 있다.

  VRFB의 충?방전 반응은 양극에서 4가 바나듐 이온이 5가로, 음극에서는 3가 바나듐이온이 2가로 변환되어 충전이 진행되며 방전 시에는 역으로 바나듐이온의 가수가 변화하여 방전이 진행된다.

2) 알칼리 수전해(Alkaline Electrolysis)

  에너지는 국가의 안전 및 경제 사회발전을 이룩하는데 있어 절대적인 요소이자, 미래 산업을 유지하는 원동력이다. 에너지 자원이 부족한 우리나라는 21세기 에너지 안보 및 국가 경쟁력을 키우기 위하여 중요한 요소기술로서 화석연료를 대체할 신에너지자원 연구와 개발에 투자하고 있다. 그중에서 수소는 이와 같은 신에너지의 매체로서, 사용 후 기타 폐기물이나 추가 자원 소모가 없으므로 다음 세기의 에너지 주역으로 평가되고 있다.

  수소제조를 위하여 사용되는 기술로 수전해를 이용한 방법은 신 에너지원과의 접목을 고려할 때 가장 효율적인 방법으로 알려져 있다. 수전해 기술로는 고온?고압 수전해, 고분자 전해질 수전해, 고온수증기 수전해, 알칼리 수전해가 있다. 알칼리 수전해는 전해액으로 20~30% KOH 수용액 혹은 15~20% NaOH 수용액을 사용하며 단위 셀에 전기를 가해주면 음극에서 물이 분해되고 수소가 발생하고, 분해된 OH-는 전해질을 통과하여 양극으로 이동하고 양극에서 산소와 물이 생성된다.

2.1) 수소제조를 위한 알칼리 수전해용 전극

  수전해용 전극으로는 산소 또는 수소 발생 시 과전압이 작고, 내식성이 큰 것이 필요하다. 음극재료로서는 니켈 전극, 미량의 백금(Pt) 이용이 고려되고 있으며, 양극 재료로는 RuO2는 활성은 높지만 단일 촉매로는 불안정하고 실용성이 없어 스피넬타입(spinel-type)의 Co3O, NiCo2O, 페롭스카이트타입(perovskite-type)의 산화물들이 고려되고 있다. 전극 재료는 전기분해의 매우 중요한 요인 중의 하나이며 알칼리 수전해용으로 사용하기 위하여 다양한 기재들의 특성을 평가 하고 있다.

  또한 저항 손실을 적게 하여 전류밀도의 향상을 가능케 하고 장치가격의 저하를 가져올 수 있는 전해조의 개선 연구를 진행하여 알칼리 수전해 장치에 대한 연구도 진행하고 있다.

2.2) 음이온 교환막 제조

  음이온 교환막은 수전해에서 막-전극 접합체(MEA)를 사용하여 단위셀을 구성하며, 음이온 교환막을 넣어 수소의 전도체 역할을 한다. 양극(anode)에서 전해시 전압을 가하면 산화반응이 일어나 촉매 전극에 의해 물로부터 산소 기체와 수소 이온(H+)이 발생되며, 수소이온은 H3O+ 형태로 고분자 전해질 막을 통해 음극(cathode)으로 이동하며, 외부 회로를 통해 도달된 전자(e-)와 음극에서 만나 수소기체가 발생되는 방법을 사용하여 수소제조 연구를 진행하고 있다. 수소 제조용 anion exchange membrane을 제조하기 위해서는 다음과 같은 2가지 단계가 있다. 첫번째로 copolymer 를 chloromethylation하고, 이후 두 번째로 trimethylamine을 이용하여 음이온교환기를 exchange 시킨 후 casting하여 막을 제조하는 공정으로 이루어져 있다. 상기 과정을 통해 생성된 막은 각종 측정 장비 등을 이용하여 생성된 음이온 교환막의 이온교환용량 측정 및 막 저항 측정 등을 진행하여 음이온 교환막 제조에 대한 연구개발을 진행 중에 있다.

3) 리튬이온 커패시터

   수퍼커패시터는 1980년대부터 양산되어온 전자부품으로 지금까지는 전극을 통한 고용량 제품으로 개발이 진행되어 다양한 형태로 제품화 되고 있으며, 최근에 전자부품의 메모리 백업 시장 및 대형 모듈의 소형화에 따라 전압이 3.0 V 이상의 수퍼커패시터가 요구되고 있다. 따라서 아래의 그림과 같이 최근 고에너지 및 고전압 특성을 개선하고자 하는 여러 방면의 연구가 진행되고 있다.

  기존의 수퍼커패시터(EDLC)는 기존의 에너지 저장장치에서 나타나고 있는 수명이 한정적이며, 순간 출력이 우수한 것으로 개발된 것으로 충전시간이 짧고 순간 충?방전 특성이 우수하고 사용 온도범위가 넓다. 하지만 에너지 밀도가 낮아 memory back-up 시간이 전지에 비해 짧다는 단점이 있다. 리튬이온 커패시터 (Li ion Capacitor)는 수퍼커패시터의 고출력 및 장수명 특성과 리튬이온 전지 (Li ion battery)의 고에너지밀도 특성을 하나의 전기에너지 저장 장치 내에서 결합한 융합형 에너지저장 기기이다. 리튬이온 커패시터는 높은 동작 전압으로 충?방전 에너지의 효율을 극대화 할 수 있으며, memory back-up 시간 및 long cycle Life 구현에 적합하다.

  리튬이온 커패시터는(LIC)는 수퍼커패시터의 특성을 유지하면서 에너지 밀도의 향상을 시켰으며, 높은 사용 전압으로 리튬이온전지와의 전압 밸런스가 필요없이 직접 연결도 가능하게 되었다. 또한 고전압을 만들기 위해서도 셀의 적층 숫자를 작게 하여 단가 및 특성 구현를 용이하게 하였다. IT 분야의 전자제품군의 구동용 전기에너지원으로 수퍼커패시터의 고출력 및 장수명 특성과 리튬이온전지의 고에너지밀도 특성의 장점을 결합한 새로운 개념의 전기에너지 저장 장치인 리튬이온 커패시터의 개발이 필요하며, 동시에 이의  관련 핵심 기술 개발이 요구되고 있다.

  우리 실험실은 리튬이온 커패시터의 리플로우형 자동표면실장이 가능한 초소형 코인 리튬이온 커패시터의 실용화를 위하여 아래의 공정과 같이 리튬이온 커패시터를 제조하여, Li pre-doping 및 음극/양윽 셀 밸런싱에 대한 연구를 수행 중이다.

전화)
차세대에너지연구소 사무실 041)540-9648
차세대에너지연구소 실험실 041)540-9646

E-mail)
황갑진 교수 gjhwang@hoseo.edu
김재철 교수 jaekim@hoseo.edu
유철휘 교수 chhryu@hoseo.edu