경희대학교 교육혁신사업단

공과대학 화학공학과 호창원, 김홍기, 정찬영, 강승기

< Biological Waste를 이용한 리튬이차전지용 양극재의 전기화학적 성능 향상에 관한 연구 >

　오늘날 급격한 인구 및 경제성장은 세계적 에너지 소비의 증가로 이어지고 있으며 화석연료의 고갈 및 심각한 환경오염 문제가 지속적으로 발생하고 있습니다. 이에 따라 태양열, 풍력, 지열 발전과 같은 재생 가능하고 지속 가능한 에너지에 대한 중요성이 커지고 있으며 위와 같은 신재생 에너지의 성공적인 적용 및 활용을 위해서는 효과적인 에너지 저장 장치의 개발이 필수적이라 여겨지고 있습니다.

현재 리튬이차전지는 높은 에너지 밀도 및 전력 밀도를 바탕으로 컴퓨터, 휴대전화 등의 모바일 기기뿐만 아니라 전기자동차, 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야에 활용되고 있으나 점차 다양화 되는 사회의 요구에 따라 성능향상이 필요한 상황입니다. 특히, 리튬이차전지용 양극 활물질의 구조 변경, 신소재 합성, 표면 개질 등의 연구를 통해 리튬이차전지의 용량 및 출력, 수명 특성 등을 개선하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며 저렴하면서도 친환경적인 리튬이차전지용 전극 물질의 개발이 차세대 고성능 배터리를 위한 가장 적합한 방법으로 주목받고 있습니다.

국내에서만 하루 약 1만 5천 톤이 배출되는 Biological Waste의 경우 하루 배출되는 총 쓰레기 중에서 가장 많은 비중을 차지하며 이를 처리하기 위한 친환경적, 실용적, 경제적인 방법들을 개발하기 위한 노력이 꾸준히 이어지고 있습니다. 이에 독립심화학습 고도화 프로그램을 통해 유기 물질로 이루어진 Biological Waste의 열화학적 처리를 바탕으로 얻은 유기물을 에너지 저장 기술에 적용하고자 하였습니다. Biological Waste 처리 비용 및 리튬이차전지의 생산 비용 감소를 통한 지속 가능한 개발을 이룸으로써 사회적 이슈로 부상한 에너지 소비, 쓰레기 처리 및 환경오염 문제에 대한 해결책을 찾을 수 있을 것으로 판단하였고 연구를 진행하였습니다.

총 4가지의 Biological Waste를 양극재에 코팅하여 전기화학적인 성능을 보는 실험을 하였으며, ESM과 Rice Huck에서 긍정적인 성능을 확인할 수 있었습니다. 2wt.% ESM을 코팅한 LFP의 경우 0.2C-rate의 표준 전류 속도에서 코팅을 하지 않은 LFP보다 약 10mAh g-1의 용량이 증가하였습니다. ESM이 열처리를 통해 N-doped Carbon이 LFP 표면에 형성됨으로써 LFP의 전기 전도도와 이온 전도도의 향상을 도모하고 용량의 증가가 되었음을 예상할 수 있었습니다. 또한 1wt.% Rice Husk를 코팅한 NCM 811의 경우 0.2C-rate의 표준 전류 속도에서 코팅을 하지 않는 NCM 811보다 20Cycle에서 더 높은 전지 수명율을 보였습니다. 초기 용량은 다소 감소한 경향을 보이지만 Rice Husk 코팅을 통해 충·방전 과정에서 발생하는 활물질의 구조적 변화 혹은 Solid Electrolyte Interphase(SEI) layer 형성에 있어 긍정적으로 작용을 했음을 예상할 수 있었습니다.

이번 연구에서 버려지는 Biological Waste를 사용하여 리튬이차전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 보여줄 수 있음에 큰 의미가 있다고 생각합니다. 버려지는 Biological Waste를 재사용할 수 있는 것은 리튬이차전지 생산의 원가 절감을 실현할 수 있으며, 사회적으로 보았을 때는 환경오염을 줄일 수 있을 것입니다.

2019학년도 2학기 “독립심화학습”를 수강하면서 팀 전체가 리튬이차전지와 전지에 응용할 수 있는 Biological Waste에 대한 학습을 진행하였으며, 팀원들이 각자의 연구 주제를 선정하여 직접 실험을 통해 실험을 하는 기술을 숙련시키는 동시에 실험에 사용되었던 장비에 대한 사용 방법을 익힐 수 있었습니다. 또한 전기화학적 결과 및 물성 평가를 진행하면서 데이터를 분석하는 능력을 키울 수 있었으며, 실험의 전반적인 과정과 결과에 대한 내용을 교수님과 팀원들과 연구실의 연구원들의 주기적인 피드백을 통해서 연구에 대한 관점을 향상시킬 수 있었습니다. 또한 연구를 위해 계획서를 쓰는 과정부터, 실제 연구를 진행하는 과정, 연구한 내용을 사람들 앞에서 발표를 하고 결과를 보고서로 쓰는 과정까지 연구에 대한 전반적인 부분을 경험하면서 실제 연구를 할 수 있는 좋은 기회였습니다. 한 학기동안 진행된 “독립심화학습”를 통해 얻은 연구에 위한 기초적인 역량과 실험 결과들은 앞으로의 연구 생활의 큰 도움이 될 것이라고 생각이 됩니다.

학부연구생으로 연구실에서 연구에 대한 기초를 배우고 있는 중에 “독립심화학습”을 통해 실제적인 연구 주제를 정하여 연구를 할 수 있었습니다. Biological Waste를 활용하여 리튬이차전지의 양극재의 활용도를 높이는 실험을 진행하였는데, 실험을 위해 먼저 이론적인 부분을 학습을 하고, 좀 더 심화된 공부를 할 수 있었습니다. 또한 직접 실험을 설계하고 양극물질 코팅 합성부터 전극을 만들고 셀을 만드는 실험을 진행하면서 많은 것을 배울 수 있는 시간이었습니다. 실험 자체는 아직 좋은 결과를 얻지 못하였지만 앞으로 제가 어떻게 성장해 나가야 할지 알게 해주는 좋은 기회가 되었고 앞으로 계속적으로 연구를 진행하려고 합니다. 또한 대학혁신지원사업의 일환으로 독립심화고도화 사업의 지원을 받을 수 있어서 너무 좋은 기회였습니다.

앞으로의 미래에는 과학 기술을 선도하는 것과 더불어 사회적 문제를 해결하는 사회 참여적이고 지속가능한 연구가 계속적으로 진행되어야 한다고 생각합니다. 대학혁신지원사업은 이러한 연구자들을 육성하기 위한 시발점이 될 수 있다고 생각합니다. 2020년에는 대학현신지원사업이 2년차로 들어가는 만큼 연구에 있어서 더욱 적극적인 지원과 홍보를 통해 더욱 많은 학생들이 참여하는 교육사업이 되었으면 좋겠습니다. 또한 앞으로 연구지원 사업에 참여할 학생들은 과정이 쉽지는 않겠지만, 지원 사업을 통해 연구의 결실을 한 학기 동안 맺으면 좋겠지만, 이 지원 사업을 계기로 사회의 문제를 돌아보고, 연구를 직접 해봄으로써 연구자로 한 걸음 내딛는 기회가 되었으면 좋겠습니다.

한 학기 동안 독립심화 고도화 사업을 진행하고, 지원을 해준 교육혁신사업단에게 감사를 드리며, 앞으로도 더 많은 지원 사업들을 통해서 경희대학교가 더욱 빛나는 대학이 되었으면 좋겠습니다.