- 홍합에 존재하는 도파민의 뛰어난 표면 접착 특성을 모사한 기술 활용 - 극한 테스트 검증, 전해질막 개선으로 수명·성능 향상된 수소연료전지 구현 전 세계적으로 환경 규제가 엄격해지면서 미래 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 최근에는 ‘궁극의 친환경차’로 불리는 수소전기차가 주목받으면서 동력원인 수소연료전지의 성능 향상에 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다. 최근 국내 연구진이 홍합 모사기술을 통해 수소연료전지의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 바다생물인홍합에 존재하는 도파민(dopamine)의 뛰어난 표면 접착 특성을 활용하여 수소이온전도도와 전해질막의 기계적 내구성을 동시에 개선한 강화복합 전해질막 수소연료전지를 구현했다고 밝혔다. 수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 대기 중 산소와 수소 기체를 연료로 활용해 전기를생산하고 부산물로 물만 남게 되는 친환경 에너지 동력원이다. 이러한 수소연료전지는 수소이온을 전달하고 양 전극을 분리하는 전해질막의 내구성이 연료전지의 수명을 결정하는 핵심적인 요소로 꼽힌다. KIST 연구팀은 홍합의 접착 원리에서 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 찾았다. 이어 폴리도파민(polydopamine)* 중합반응을 통해 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체에 코팅하고, 여기에 수소이온 전도성을 갖는 과불소계술폰산(PFSA) 고분자가 스며든 형태(함침(含浸), impregnation)의 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다. *폴리도파민 : 홍합의 접착 단백질 성분인 도파민 단량체의 고분자 형태. 강화복합 전해질막은 얇은 막으로 인하여 수소이온 전도도와 기계적 내구성이 향상된 형태의 전해질막이다. 하지만 극소수성을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 과불소계술폰산(PFSA) 중합체(이오노머*)를 조밀하게 스며들도록 하는 것이 어렵고, 막의 두께가얇아 전해질 고분자가 분해되어 기체가 막을 투과하는 현상이 쉽게 나타나는 문제가 있었다. *이오노머 : 체인 요소 간에는 공유 결합을, 체인 간에는 이온 결합을 가진 중합체. KIST 연구진은 강화복합 고분자 전해질막에 표면 처리한 폴리도파민에 극소수성의 PTFE 표면을 친수성으로 개질시켜 친수성 이오노머를 쉽게 스며들게 하고, 고분자의 경계면에서발생하던 균열이나 기공도 크게 줄였다. 또한 전해질 막의 화학적 열화를 막아주는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분이 지지체 표면에 결착되어 연료전지의 내구성을 높여 안정적 구동이가능하게 했다. KIST 연구진은 개발한 강화복합 전해질막 기반 연료전지를 극한의 조건에서 가속 수명시험을 수행한 결과, 기존 전해질막을 사용한 연료전지에 비해 5,000회 이상의 습도 변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 안정적인 성능을 유지하는 수명 특성을 확인했다. 또한 가속 수명시험 후 기존 전해질막은 두께가 70%가량 줄어들고 표면에 많은 손상이 발생했지만, 폴리도파민 전해질막은 두께가 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적이라는 사실을 입증했다. KIST 연료전지연구센터 김진영 박사는 “이번 연구결과는 자연계 물질에서 아이디어를 얻어 그 현상을 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다.”라고 말하며, “향후 수소연료전지의 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용분야 발전에 적용되길 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF:13.325, JCR 상위분야 3.767 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Mussel-Inspired Polydopamine-Treated Reinforced Composite Membranes with Self-Supported CeOx Radical Scavengers for Highly Stable PEM Fuel Cells - (제1저자) 한국과학기술연구원 윤기로 박사(Post Doc.) 한국과학기술연구원 이경아 연구원(석사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 <그림설명> 그림 1. 본 연구팀에서 개발한 강화복합 전해질막 개발 모식도 그림 2. KIST 연구진이 개발한 강화복합 전해질막의 (a) 표면, (b) 단면 SEM 이미지, (c) 단면 TEM 및 Ce 원소 분포도 그림 3. (a) 연료전지 사진 및 (b) 가속 수명특성 평가 결과 그림 4. 가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교 그림 5. 순수막과 KIST 개발막의 연료전지 내 열화반응 메커니즘 비교 도식

- 홍합에 존재하는 도파민의 뛰어난 표면 접착 특성을 모사한 기술 활용 - 극한 테스트 검증, 전해질막 개선으로 수명·성능 향상된 수소연료전지 구현 전 세계적으로 환경 규제가 엄격해지면서 미래 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 최근에는 ‘궁극의 친환경차’로 불리는 수소전기차가 주목받으면서 동력원인 수소연료전지의 성능 향상에 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다. 최근 국내 연구진이 홍합 모사기술을 통해 수소연료전지의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 바다생물인홍합에 존재하는 도파민(dopamine)의 뛰어난 표면 접착 특성을 활용하여 수소이온전도도와 전해질막의 기계적 내구성을 동시에 개선한 강화복합 전해질막 수소연료전지를 구현했다고 밝혔다. 수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 대기 중 산소와 수소 기체를 연료로 활용해 전기를생산하고 부산물로 물만 남게 되는 친환경 에너지 동력원이다. 이러한 수소연료전지는 수소이온을 전달하고 양 전극을 분리하는 전해질막의 내구성이 연료전지의 수명을 결정하는 핵심적인 요소로 꼽힌다. KIST 연구팀은 홍합의 접착 원리에서 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 찾았다. 이어 폴리도파민(polydopamine)* 중합반응을 통해 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체에 코팅하고, 여기에 수소이온 전도성을 갖는 과불소계술폰산(PFSA) 고분자가 스며든 형태(함침(含浸), impregnation)의 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다. *폴리도파민 : 홍합의 접착 단백질 성분인 도파민 단량체의 고분자 형태. 강화복합 전해질막은 얇은 막으로 인하여 수소이온 전도도와 기계적 내구성이 향상된 형태의 전해질막이다. 하지만 극소수성을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 과불소계술폰산(PFSA) 중합체(이오노머*)를 조밀하게 스며들도록 하는 것이 어렵고, 막의 두께가얇아 전해질 고분자가 분해되어 기체가 막을 투과하는 현상이 쉽게 나타나는 문제가 있었다. *이오노머 : 체인 요소 간에는 공유 결합을, 체인 간에는 이온 결합을 가진 중합체. KIST 연구진은 강화복합 고분자 전해질막에 표면 처리한 폴리도파민에 극소수성의 PTFE 표면을 친수성으로 개질시켜 친수성 이오노머를 쉽게 스며들게 하고, 고분자의 경계면에서발생하던 균열이나 기공도 크게 줄였다. 또한 전해질 막의 화학적 열화를 막아주는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분이 지지체 표면에 결착되어 연료전지의 내구성을 높여 안정적 구동이가능하게 했다. KIST 연구진은 개발한 강화복합 전해질막 기반 연료전지를 극한의 조건에서 가속 수명시험을 수행한 결과, 기존 전해질막을 사용한 연료전지에 비해 5,000회 이상의 습도 변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 안정적인 성능을 유지하는 수명 특성을 확인했다. 또한 가속 수명시험 후 기존 전해질막은 두께가 70%가량 줄어들고 표면에 많은 손상이 발생했지만, 폴리도파민 전해질막은 두께가 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적이라는 사실을 입증했다. KIST 연료전지연구센터 김진영 박사는 “이번 연구결과는 자연계 물질에서 아이디어를 얻어 그 현상을 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다.”라고 말하며, “향후 수소연료전지의 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용분야 발전에 적용되길 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF:13.325, JCR 상위분야 3.767 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Mussel-Inspired Polydopamine-Treated Reinforced Composite Membranes with Self-Supported CeOx Radical Scavengers for Highly Stable PEM Fuel Cells - (제1저자) 한국과학기술연구원 윤기로 박사(Post Doc.) 한국과학기술연구원 이경아 연구원(석사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 <그림설명> 그림 1. 본 연구팀에서 개발한 강화복합 전해질막 개발 모식도 그림 2. KIST 연구진이 개발한 강화복합 전해질막의 (a) 표면, (b) 단면 SEM 이미지, (c) 단면 TEM 및 Ce 원소 분포도 그림 3. (a) 연료전지 사진 및 (b) 가속 수명특성 평가 결과 그림 4. 가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교 그림 5. 순수막과 KIST 개발막의 연료전지 내 열화반응 메커니즘 비교 도식

- 홍합에 존재하는 도파민의 뛰어난 표면 접착 특성을 모사한 기술 활용 - 극한 테스트 검증, 전해질막 개선으로 수명·성능 향상된 수소연료전지 구현 전 세계적으로 환경 규제가 엄격해지면서 미래 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 최근에는 ‘궁극의 친환경차’로 불리는 수소전기차가 주목받으면서 동력원인 수소연료전지의 성능 향상에 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다. 최근 국내 연구진이 홍합 모사기술을 통해 수소연료전지의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 바다생물인홍합에 존재하는 도파민(dopamine)의 뛰어난 표면 접착 특성을 활용하여 수소이온전도도와 전해질막의 기계적 내구성을 동시에 개선한 강화복합 전해질막 수소연료전지를 구현했다고 밝혔다. 수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 대기 중 산소와 수소 기체를 연료로 활용해 전기를생산하고 부산물로 물만 남게 되는 친환경 에너지 동력원이다. 이러한 수소연료전지는 수소이온을 전달하고 양 전극을 분리하는 전해질막의 내구성이 연료전지의 수명을 결정하는 핵심적인 요소로 꼽힌다. KIST 연구팀은 홍합의 접착 원리에서 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 찾았다. 이어 폴리도파민(polydopamine)* 중합반응을 통해 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체에 코팅하고, 여기에 수소이온 전도성을 갖는 과불소계술폰산(PFSA) 고분자가 스며든 형태(함침(含浸), impregnation)의 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다. *폴리도파민 : 홍합의 접착 단백질 성분인 도파민 단량체의 고분자 형태. 강화복합 전해질막은 얇은 막으로 인하여 수소이온 전도도와 기계적 내구성이 향상된 형태의 전해질막이다. 하지만 극소수성을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 과불소계술폰산(PFSA) 중합체(이오노머*)를 조밀하게 스며들도록 하는 것이 어렵고, 막의 두께가얇아 전해질 고분자가 분해되어 기체가 막을 투과하는 현상이 쉽게 나타나는 문제가 있었다. *이오노머 : 체인 요소 간에는 공유 결합을, 체인 간에는 이온 결합을 가진 중합체. KIST 연구진은 강화복합 고분자 전해질막에 표면 처리한 폴리도파민에 극소수성의 PTFE 표면을 친수성으로 개질시켜 친수성 이오노머를 쉽게 스며들게 하고, 고분자의 경계면에서발생하던 균열이나 기공도 크게 줄였다. 또한 전해질 막의 화학적 열화를 막아주는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분이 지지체 표면에 결착되어 연료전지의 내구성을 높여 안정적 구동이가능하게 했다. KIST 연구진은 개발한 강화복합 전해질막 기반 연료전지를 극한의 조건에서 가속 수명시험을 수행한 결과, 기존 전해질막을 사용한 연료전지에 비해 5,000회 이상의 습도 변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 안정적인 성능을 유지하는 수명 특성을 확인했다. 또한 가속 수명시험 후 기존 전해질막은 두께가 70%가량 줄어들고 표면에 많은 손상이 발생했지만, 폴리도파민 전해질막은 두께가 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적이라는 사실을 입증했다. KIST 연료전지연구센터 김진영 박사는 “이번 연구결과는 자연계 물질에서 아이디어를 얻어 그 현상을 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다.”라고 말하며, “향후 수소연료전지의 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용분야 발전에 적용되길 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF:13.325, JCR 상위분야 3.767 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Mussel-Inspired Polydopamine-Treated Reinforced Composite Membranes with Self-Supported CeOx Radical Scavengers for Highly Stable PEM Fuel Cells - (제1저자) 한국과학기술연구원 윤기로 박사(Post Doc.) 한국과학기술연구원 이경아 연구원(석사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 <그림설명> 그림 1. 본 연구팀에서 개발한 강화복합 전해질막 개발 모식도 그림 2. KIST 연구진이 개발한 강화복합 전해질막의 (a) 표면, (b) 단면 SEM 이미지, (c) 단면 TEM 및 Ce 원소 분포도 그림 3. (a) 연료전지 사진 및 (b) 가속 수명특성 평가 결과 그림 4. 가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교 그림 5. 순수막과 KIST 개발막의 연료전지 내 열화반응 메커니즘 비교 도식

- 홍합에 존재하는 도파민의 뛰어난 표면 접착 특성을 모사한 기술 활용 - 극한 테스트 검증, 전해질막 개선으로 수명·성능 향상된 수소연료전지 구현 전 세계적으로 환경 규제가 엄격해지면서 미래 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 최근에는 ‘궁극의 친환경차’로 불리는 수소전기차가 주목받으면서 동력원인 수소연료전지의 성능 향상에 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다. 최근 국내 연구진이 홍합 모사기술을 통해 수소연료전지의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 바다생물인홍합에 존재하는 도파민(dopamine)의 뛰어난 표면 접착 특성을 활용하여 수소이온전도도와 전해질막의 기계적 내구성을 동시에 개선한 강화복합 전해질막 수소연료전지를 구현했다고 밝혔다. 수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 대기 중 산소와 수소 기체를 연료로 활용해 전기를생산하고 부산물로 물만 남게 되는 친환경 에너지 동력원이다. 이러한 수소연료전지는 수소이온을 전달하고 양 전극을 분리하는 전해질막의 내구성이 연료전지의 수명을 결정하는 핵심적인 요소로 꼽힌다. KIST 연구팀은 홍합의 접착 원리에서 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 찾았다. 이어 폴리도파민(polydopamine)* 중합반응을 통해 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체에 코팅하고, 여기에 수소이온 전도성을 갖는 과불소계술폰산(PFSA) 고분자가 스며든 형태(함침(含浸), impregnation)의 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다. *폴리도파민 : 홍합의 접착 단백질 성분인 도파민 단량체의 고분자 형태. 강화복합 전해질막은 얇은 막으로 인하여 수소이온 전도도와 기계적 내구성이 향상된 형태의 전해질막이다. 하지만 극소수성을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 과불소계술폰산(PFSA) 중합체(이오노머*)를 조밀하게 스며들도록 하는 것이 어렵고, 막의 두께가얇아 전해질 고분자가 분해되어 기체가 막을 투과하는 현상이 쉽게 나타나는 문제가 있었다. *이오노머 : 체인 요소 간에는 공유 결합을, 체인 간에는 이온 결합을 가진 중합체. KIST 연구진은 강화복합 고분자 전해질막에 표면 처리한 폴리도파민에 극소수성의 PTFE 표면을 친수성으로 개질시켜 친수성 이오노머를 쉽게 스며들게 하고, 고분자의 경계면에서발생하던 균열이나 기공도 크게 줄였다. 또한 전해질 막의 화학적 열화를 막아주는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분이 지지체 표면에 결착되어 연료전지의 내구성을 높여 안정적 구동이가능하게 했다. KIST 연구진은 개발한 강화복합 전해질막 기반 연료전지를 극한의 조건에서 가속 수명시험을 수행한 결과, 기존 전해질막을 사용한 연료전지에 비해 5,000회 이상의 습도 변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 안정적인 성능을 유지하는 수명 특성을 확인했다. 또한 가속 수명시험 후 기존 전해질막은 두께가 70%가량 줄어들고 표면에 많은 손상이 발생했지만, 폴리도파민 전해질막은 두께가 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적이라는 사실을 입증했다. KIST 연료전지연구센터 김진영 박사는 “이번 연구결과는 자연계 물질에서 아이디어를 얻어 그 현상을 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다.”라고 말하며, “향후 수소연료전지의 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용분야 발전에 적용되길 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF:13.325, JCR 상위분야 3.767 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Mussel-Inspired Polydopamine-Treated Reinforced Composite Membranes with Self-Supported CeOx Radical Scavengers for Highly Stable PEM Fuel Cells - (제1저자) 한국과학기술연구원 윤기로 박사(Post Doc.) 한국과학기술연구원 이경아 연구원(석사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 <그림설명> 그림 1. 본 연구팀에서 개발한 강화복합 전해질막 개발 모식도 그림 2. KIST 연구진이 개발한 강화복합 전해질막의 (a) 표면, (b) 단면 SEM 이미지, (c) 단면 TEM 및 Ce 원소 분포도 그림 3. (a) 연료전지 사진 및 (b) 가속 수명특성 평가 결과 그림 4. 가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교 그림 5. 순수막과 KIST 개발막의 연료전지 내 열화반응 메커니즘 비교 도식

- 홍합에 존재하는 도파민의 뛰어난 표면 접착 특성을 모사한 기술 활용 - 극한 테스트 검증, 전해질막 개선으로 수명·성능 향상된 수소연료전지 구현 전 세계적으로 환경 규제가 엄격해지면서 미래 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 최근에는 ‘궁극의 친환경차’로 불리는 수소전기차가 주목받으면서 동력원인 수소연료전지의 성능 향상에 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다. 최근 국내 연구진이 홍합 모사기술을 통해 수소연료전지의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 바다생물인홍합에 존재하는 도파민(dopamine)의 뛰어난 표면 접착 특성을 활용하여 수소이온전도도와 전해질막의 기계적 내구성을 동시에 개선한 강화복합 전해질막 수소연료전지를 구현했다고 밝혔다. 수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 대기 중 산소와 수소 기체를 연료로 활용해 전기를생산하고 부산물로 물만 남게 되는 친환경 에너지 동력원이다. 이러한 수소연료전지는 수소이온을 전달하고 양 전극을 분리하는 전해질막의 내구성이 연료전지의 수명을 결정하는 핵심적인 요소로 꼽힌다. KIST 연구팀은 홍합의 접착 원리에서 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 찾았다. 이어 폴리도파민(polydopamine)* 중합반응을 통해 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체에 코팅하고, 여기에 수소이온 전도성을 갖는 과불소계술폰산(PFSA) 고분자가 스며든 형태(함침(含浸), impregnation)의 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다. *폴리도파민 : 홍합의 접착 단백질 성분인 도파민 단량체의 고분자 형태. 강화복합 전해질막은 얇은 막으로 인하여 수소이온 전도도와 기계적 내구성이 향상된 형태의 전해질막이다. 하지만 극소수성을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 과불소계술폰산(PFSA) 중합체(이오노머*)를 조밀하게 스며들도록 하는 것이 어렵고, 막의 두께가얇아 전해질 고분자가 분해되어 기체가 막을 투과하는 현상이 쉽게 나타나는 문제가 있었다. *이오노머 : 체인 요소 간에는 공유 결합을, 체인 간에는 이온 결합을 가진 중합체. KIST 연구진은 강화복합 고분자 전해질막에 표면 처리한 폴리도파민에 극소수성의 PTFE 표면을 친수성으로 개질시켜 친수성 이오노머를 쉽게 스며들게 하고, 고분자의 경계면에서발생하던 균열이나 기공도 크게 줄였다. 또한 전해질 막의 화학적 열화를 막아주는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분이 지지체 표면에 결착되어 연료전지의 내구성을 높여 안정적 구동이가능하게 했다. KIST 연구진은 개발한 강화복합 전해질막 기반 연료전지를 극한의 조건에서 가속 수명시험을 수행한 결과, 기존 전해질막을 사용한 연료전지에 비해 5,000회 이상의 습도 변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 안정적인 성능을 유지하는 수명 특성을 확인했다. 또한 가속 수명시험 후 기존 전해질막은 두께가 70%가량 줄어들고 표면에 많은 손상이 발생했지만, 폴리도파민 전해질막은 두께가 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적이라는 사실을 입증했다. KIST 연료전지연구센터 김진영 박사는 “이번 연구결과는 자연계 물질에서 아이디어를 얻어 그 현상을 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다.”라고 말하며, “향후 수소연료전지의 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용분야 발전에 적용되길 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF:13.325, JCR 상위분야 3.767 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Mussel-Inspired Polydopamine-Treated Reinforced Composite Membranes with Self-Supported CeOx Radical Scavengers for Highly Stable PEM Fuel Cells - (제1저자) 한국과학기술연구원 윤기로 박사(Post Doc.) 한국과학기술연구원 이경아 연구원(석사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 <그림설명> 그림 1. 본 연구팀에서 개발한 강화복합 전해질막 개발 모식도 그림 2. KIST 연구진이 개발한 강화복합 전해질막의 (a) 표면, (b) 단면 SEM 이미지, (c) 단면 TEM 및 Ce 원소 분포도 그림 3. (a) 연료전지 사진 및 (b) 가속 수명특성 평가 결과 그림 4. 가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교 그림 5. 순수막과 KIST 개발막의 연료전지 내 열화반응 메커니즘 비교 도식

- 홍합에 존재하는 도파민의 뛰어난 표면 접착 특성을 모사한 기술 활용 - 극한 테스트 검증, 전해질막 개선으로 수명·성능 향상된 수소연료전지 구현 전 세계적으로 환경 규제가 엄격해지면서 미래 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 최근에는 ‘궁극의 친환경차’로 불리는 수소전기차가 주목받으면서 동력원인 수소연료전지의 성능 향상에 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다. 최근 국내 연구진이 홍합 모사기술을 통해 수소연료전지의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 바다생물인홍합에 존재하는 도파민(dopamine)의 뛰어난 표면 접착 특성을 활용하여 수소이온전도도와 전해질막의 기계적 내구성을 동시에 개선한 강화복합 전해질막 수소연료전지를 구현했다고 밝혔다. 수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 대기 중 산소와 수소 기체를 연료로 활용해 전기를생산하고 부산물로 물만 남게 되는 친환경 에너지 동력원이다. 이러한 수소연료전지는 수소이온을 전달하고 양 전극을 분리하는 전해질막의 내구성이 연료전지의 수명을 결정하는 핵심적인 요소로 꼽힌다. KIST 연구팀은 홍합의 접착 원리에서 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 찾았다. 이어 폴리도파민(polydopamine)* 중합반응을 통해 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체에 코팅하고, 여기에 수소이온 전도성을 갖는 과불소계술폰산(PFSA) 고분자가 스며든 형태(함침(含浸), impregnation)의 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다. *폴리도파민 : 홍합의 접착 단백질 성분인 도파민 단량체의 고분자 형태. 강화복합 전해질막은 얇은 막으로 인하여 수소이온 전도도와 기계적 내구성이 향상된 형태의 전해질막이다. 하지만 극소수성을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 과불소계술폰산(PFSA) 중합체(이오노머*)를 조밀하게 스며들도록 하는 것이 어렵고, 막의 두께가얇아 전해질 고분자가 분해되어 기체가 막을 투과하는 현상이 쉽게 나타나는 문제가 있었다. *이오노머 : 체인 요소 간에는 공유 결합을, 체인 간에는 이온 결합을 가진 중합체. KIST 연구진은 강화복합 고분자 전해질막에 표면 처리한 폴리도파민에 극소수성의 PTFE 표면을 친수성으로 개질시켜 친수성 이오노머를 쉽게 스며들게 하고, 고분자의 경계면에서발생하던 균열이나 기공도 크게 줄였다. 또한 전해질 막의 화학적 열화를 막아주는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분이 지지체 표면에 결착되어 연료전지의 내구성을 높여 안정적 구동이가능하게 했다. KIST 연구진은 개발한 강화복합 전해질막 기반 연료전지를 극한의 조건에서 가속 수명시험을 수행한 결과, 기존 전해질막을 사용한 연료전지에 비해 5,000회 이상의 습도 변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 안정적인 성능을 유지하는 수명 특성을 확인했다. 또한 가속 수명시험 후 기존 전해질막은 두께가 70%가량 줄어들고 표면에 많은 손상이 발생했지만, 폴리도파민 전해질막은 두께가 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적이라는 사실을 입증했다. KIST 연료전지연구센터 김진영 박사는 “이번 연구결과는 자연계 물질에서 아이디어를 얻어 그 현상을 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다.”라고 말하며, “향후 수소연료전지의 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용분야 발전에 적용되길 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF:13.325, JCR 상위분야 3.767 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Mussel-Inspired Polydopamine-Treated Reinforced Composite Membranes with Self-Supported CeOx Radical Scavengers for Highly Stable PEM Fuel Cells - (제1저자) 한국과학기술연구원 윤기로 박사(Post Doc.) 한국과학기술연구원 이경아 연구원(석사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 <그림설명> 그림 1. 본 연구팀에서 개발한 강화복합 전해질막 개발 모식도 그림 2. KIST 연구진이 개발한 강화복합 전해질막의 (a) 표면, (b) 단면 SEM 이미지, (c) 단면 TEM 및 Ce 원소 분포도 그림 3. (a) 연료전지 사진 및 (b) 가속 수명특성 평가 결과 그림 4. 가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교 그림 5. 순수막과 KIST 개발막의 연료전지 내 열화반응 메커니즘 비교 도식

- 홍합에 존재하는 도파민의 뛰어난 표면 접착 특성을 모사한 기술 활용 - 극한 테스트 검증, 전해질막 개선으로 수명·성능 향상된 수소연료전지 구현 전 세계적으로 환경 규제가 엄격해지면서 미래 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 최근에는 ‘궁극의 친환경차’로 불리는 수소전기차가 주목받으면서 동력원인 수소연료전지의 성능 향상에 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다. 최근 국내 연구진이 홍합 모사기술을 통해 수소연료전지의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 바다생물인홍합에 존재하는 도파민(dopamine)의 뛰어난 표면 접착 특성을 활용하여 수소이온전도도와 전해질막의 기계적 내구성을 동시에 개선한 강화복합 전해질막 수소연료전지를 구현했다고 밝혔다. 수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 대기 중 산소와 수소 기체를 연료로 활용해 전기를생산하고 부산물로 물만 남게 되는 친환경 에너지 동력원이다. 이러한 수소연료전지는 수소이온을 전달하고 양 전극을 분리하는 전해질막의 내구성이 연료전지의 수명을 결정하는 핵심적인 요소로 꼽힌다. KIST 연구팀은 홍합의 접착 원리에서 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 찾았다. 이어 폴리도파민(polydopamine)* 중합반응을 통해 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체에 코팅하고, 여기에 수소이온 전도성을 갖는 과불소계술폰산(PFSA) 고분자가 스며든 형태(함침(含浸), impregnation)의 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다. *폴리도파민 : 홍합의 접착 단백질 성분인 도파민 단량체의 고분자 형태. 강화복합 전해질막은 얇은 막으로 인하여 수소이온 전도도와 기계적 내구성이 향상된 형태의 전해질막이다. 하지만 극소수성을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 과불소계술폰산(PFSA) 중합체(이오노머*)를 조밀하게 스며들도록 하는 것이 어렵고, 막의 두께가얇아 전해질 고분자가 분해되어 기체가 막을 투과하는 현상이 쉽게 나타나는 문제가 있었다. *이오노머 : 체인 요소 간에는 공유 결합을, 체인 간에는 이온 결합을 가진 중합체. KIST 연구진은 강화복합 고분자 전해질막에 표면 처리한 폴리도파민에 극소수성의 PTFE 표면을 친수성으로 개질시켜 친수성 이오노머를 쉽게 스며들게 하고, 고분자의 경계면에서발생하던 균열이나 기공도 크게 줄였다. 또한 전해질 막의 화학적 열화를 막아주는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분이 지지체 표면에 결착되어 연료전지의 내구성을 높여 안정적 구동이가능하게 했다. KIST 연구진은 개발한 강화복합 전해질막 기반 연료전지를 극한의 조건에서 가속 수명시험을 수행한 결과, 기존 전해질막을 사용한 연료전지에 비해 5,000회 이상의 습도 변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 안정적인 성능을 유지하는 수명 특성을 확인했다. 또한 가속 수명시험 후 기존 전해질막은 두께가 70%가량 줄어들고 표면에 많은 손상이 발생했지만, 폴리도파민 전해질막은 두께가 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적이라는 사실을 입증했다. KIST 연료전지연구센터 김진영 박사는 “이번 연구결과는 자연계 물질에서 아이디어를 얻어 그 현상을 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다.”라고 말하며, “향후 수소연료전지의 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용분야 발전에 적용되길 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF:13.325, JCR 상위분야 3.767 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Mussel-Inspired Polydopamine-Treated Reinforced Composite Membranes with Self-Supported CeOx Radical Scavengers for Highly Stable PEM Fuel Cells - (제1저자) 한국과학기술연구원 윤기로 박사(Post Doc.) 한국과학기술연구원 이경아 연구원(석사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 <그림설명> 그림 1. 본 연구팀에서 개발한 강화복합 전해질막 개발 모식도 그림 2. KIST 연구진이 개발한 강화복합 전해질막의 (a) 표면, (b) 단면 SEM 이미지, (c) 단면 TEM 및 Ce 원소 분포도 그림 3. (a) 연료전지 사진 및 (b) 가속 수명특성 평가 결과 그림 4. 가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교 그림 5. 순수막과 KIST 개발막의 연료전지 내 열화반응 메커니즘 비교 도식

- 저비용·친환경 전해도금 공정으로 아연금속 음극 성장 및 최적화 성공 - ‘폭발 위험’ 높은 리튬기반 에너지 저장장치를 수계아연전지로 대체 기대 최근 대부분의 ESS는 이차전지 중 기술 성숙도가 가장 높은 리튬이온전지를 채택하고 있다. 하지만 화재의 위험성으로 인해 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받고 있다. 국제적인 원자재 공급 불안정성 역시 큰 문제로 대두되고 있다. 반면 수계아연전지는 물을 전해질로 사용해 배터리 발화가 근본적으로 차단되며 원재료인 아연의 가격도 리튬의 1/16에 불과하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 수계아연전지 상용화의 열쇠인 ‘고밀도 아연금속 음극’ 제조기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 제조기술은 특히 저비용·친환경 용액을 이용하여 쉽고 간단한 전해도금 공정만으로도 높은 에너지밀도와 긴 수명의 아연금속 음극을 만들 수 있어 수계아연전지 대량생산의 기폭제가 될 것으로 전망되고 있다. 이론적으로 수계아연전지는 다가 이온을 활용하여 이온 하나당 두 개의 전자를 이용하기 때문에 알칼리 금속 이온 대비 부피당 에너지밀도 측면에서도 유리하다. 전지를 제작할 때 음극으로 사용되는 아연금속의 용량이 양극의 2배만 넘지 않으면 현재 상용화된 리튬이온전지에 버금가는 에너지밀도의 구현이 가능하다. 심지어 아연금속의 용량이 양극의 5배에 달해도 부피당 에너지밀도 측면에서 차세대 배터리로 주목받는 소듐이온전지와 비슷할 만큼 경쟁력이 뛰어나다. 하지만, 아연금속 음극은 전지 구동 시 나노입자가 불규칙하게 성장하고 부식이 일어나 이차전지의 에너지 밀도와 수명을 지속적으로 저하시킨다는 문제를 안고 있었다. 음극 내 낮은 아연금속 입자 밀도와 넓은 표면적이 전해액과의 부식반응을 가속화해 활성 아연금속과 전해액을 고갈시키는 것이다. 기존의 연구들은 이런 수명의 한계를 보완하기 위해 일반적으로 필요보다 20배 이상 많은 양의 두꺼운 아연금속을 사용하는데, 이는 역설적으로 수계아연전지의 최대 강점인 에너지밀도와 가격 경쟁력의 저하를 불러올 수밖에 없었다. 이에 따라 KIST 이민아 박사팀은 수계아연전지의 에너지밀도와 수명 저하를 유발하는 부반응을 줄이기 위해 아연금속 음극의 미세구조를 제어했다. 이를 통해 상온에서 간단하게 합성할 수 있는 DES(Deep eutectic solvent, 깊은공융용매) 용액을 제조했다. 제조한 DES 용액은 콜린클로라이드(Choline chloride, ChCl)와 요소(Urea)를 1:2의 몰비로 혼합하여 녹는점이 12℃인 액체 상태의 복합체가 되는 대표적인 DES 물질로 알려져 있다. 연구진은 DES 내에서 아연과 구리 집전체 사이에 친아연성 구리-아연 합금층이 자발적으로 형성되며 고밀도의 아연 입자를 성장시킨다는 사실을 확인했다. 연구진은 이를 활용해 저비용·친환경인 DES용액에서 아연금속을 조밀하고 균일하게 성장시키는 전해도금 공정을 개발하는데 성공했다. 이렇게 제조한 아연금속 음극을 수계아연전지 시스템에 적용한 결과, 부식반응이 효과적으로 억제돼 7000회 이상의 반복적인 충방전 이후에도 70% 이상의 용량을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 얇은 아연을 활용한 기존의 유사 연구들 중에 가장 뛰어난 결과이며 상용 리튬이온 이차전지의 충방전 수명(1000~2000회)을 크게 상회하는 수치이다. KIST 이민아 박사는 “신재생에너지 보급과 확대의 가장 큰 걸림돌인 ESS의 화재 안전성을 단번에 해결할 수 있는 수계아연전지의 상용화 핵심 기술을 개발하게 됐다”라며 “이번 고밀도 아연음극 제조기술은 특히 경제적이고 친환경적인 DES 용액과 이미 산업 전반에서 널리 쓰이는 전해도금 공정이 결합돼 수계아연전지 대량 생산의 길을 열게 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 한국연구재단 나노·미래소재원천기술개발사업, 개인연구사업(중견연구) 및 KIST 주요사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 에너지 및 환경과학 분야의 세계적 권위지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF:38.532, JCR 분야 상위 0.182%) 최신 온라인판에 게재되었다. * (논문명) Stimulating Cu-Zn alloying for compact Zn metal growth towards high energy aqueous batteries and hybrid supercapacitors - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권민형 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이민아 선임연구원 그림 설명 [그림1] 기존 수계 전해액에서 불규칙하게 생성되어 부식 반응을 유발하는 아연 입자와 달리 DES 용액에서 성장시킨 아연은 빽빽하고 균일하여 충·방전 후에도 안정적으로 구조를 유지한다. [그림2] 아연금속 전해도금 후의 표면 및 단면 미세구조 [그림3] KIST 이민아 박사팀 연구진은 (좌측) 염화콜린(ChCl)과 (가운데) 요소(UREA)를 혼합하여 (우측) 친환경 공융용매(DES)를 제작했다. [그림4] KIST 권민형 연구원이 공융용매를 활용하여 제작한 고밀도의 아연음극과 이를 적용하여 획기적으로 성능이 개선된 수계아연전지(파우치형)를 살펴보고 있다. [그림5] 차세대 수계아연전지용 고밀도 음극제조기술 개발에 성공한 KIST 에너지저장연구센터 이민아 박사(좌, 교신저자) 와 권민형 연구원(우, 제1저자).

- 저비용·친환경 전해도금 공정으로 아연금속 음극 성장 및 최적화 성공 - ‘폭발 위험’ 높은 리튬기반 에너지 저장장치를 수계아연전지로 대체 기대 최근 대부분의 ESS는 이차전지 중 기술 성숙도가 가장 높은 리튬이온전지를 채택하고 있다. 하지만 화재의 위험성으로 인해 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받고 있다. 국제적인 원자재 공급 불안정성 역시 큰 문제로 대두되고 있다. 반면 수계아연전지는 물을 전해질로 사용해 배터리 발화가 근본적으로 차단되며 원재료인 아연의 가격도 리튬의 1/16에 불과하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 수계아연전지 상용화의 열쇠인 ‘고밀도 아연금속 음극’ 제조기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 제조기술은 특히 저비용·친환경 용액을 이용하여 쉽고 간단한 전해도금 공정만으로도 높은 에너지밀도와 긴 수명의 아연금속 음극을 만들 수 있어 수계아연전지 대량생산의 기폭제가 될 것으로 전망되고 있다. 이론적으로 수계아연전지는 다가 이온을 활용하여 이온 하나당 두 개의 전자를 이용하기 때문에 알칼리 금속 이온 대비 부피당 에너지밀도 측면에서도 유리하다. 전지를 제작할 때 음극으로 사용되는 아연금속의 용량이 양극의 2배만 넘지 않으면 현재 상용화된 리튬이온전지에 버금가는 에너지밀도의 구현이 가능하다. 심지어 아연금속의 용량이 양극의 5배에 달해도 부피당 에너지밀도 측면에서 차세대 배터리로 주목받는 소듐이온전지와 비슷할 만큼 경쟁력이 뛰어나다. 하지만, 아연금속 음극은 전지 구동 시 나노입자가 불규칙하게 성장하고 부식이 일어나 이차전지의 에너지 밀도와 수명을 지속적으로 저하시킨다는 문제를 안고 있었다. 음극 내 낮은 아연금속 입자 밀도와 넓은 표면적이 전해액과의 부식반응을 가속화해 활성 아연금속과 전해액을 고갈시키는 것이다. 기존의 연구들은 이런 수명의 한계를 보완하기 위해 일반적으로 필요보다 20배 이상 많은 양의 두꺼운 아연금속을 사용하는데, 이는 역설적으로 수계아연전지의 최대 강점인 에너지밀도와 가격 경쟁력의 저하를 불러올 수밖에 없었다. 이에 따라 KIST 이민아 박사팀은 수계아연전지의 에너지밀도와 수명 저하를 유발하는 부반응을 줄이기 위해 아연금속 음극의 미세구조를 제어했다. 이를 통해 상온에서 간단하게 합성할 수 있는 DES(Deep eutectic solvent, 깊은공융용매) 용액을 제조했다. 제조한 DES 용액은 콜린클로라이드(Choline chloride, ChCl)와 요소(Urea)를 1:2의 몰비로 혼합하여 녹는점이 12℃인 액체 상태의 복합체가 되는 대표적인 DES 물질로 알려져 있다. 연구진은 DES 내에서 아연과 구리 집전체 사이에 친아연성 구리-아연 합금층이 자발적으로 형성되며 고밀도의 아연 입자를 성장시킨다는 사실을 확인했다. 연구진은 이를 활용해 저비용·친환경인 DES용액에서 아연금속을 조밀하고 균일하게 성장시키는 전해도금 공정을 개발하는데 성공했다. 이렇게 제조한 아연금속 음극을 수계아연전지 시스템에 적용한 결과, 부식반응이 효과적으로 억제돼 7000회 이상의 반복적인 충방전 이후에도 70% 이상의 용량을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 얇은 아연을 활용한 기존의 유사 연구들 중에 가장 뛰어난 결과이며 상용 리튬이온 이차전지의 충방전 수명(1000~2000회)을 크게 상회하는 수치이다. KIST 이민아 박사는 “신재생에너지 보급과 확대의 가장 큰 걸림돌인 ESS의 화재 안전성을 단번에 해결할 수 있는 수계아연전지의 상용화 핵심 기술을 개발하게 됐다”라며 “이번 고밀도 아연음극 제조기술은 특히 경제적이고 친환경적인 DES 용액과 이미 산업 전반에서 널리 쓰이는 전해도금 공정이 결합돼 수계아연전지 대량 생산의 길을 열게 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 한국연구재단 나노·미래소재원천기술개발사업, 개인연구사업(중견연구) 및 KIST 주요사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 에너지 및 환경과학 분야의 세계적 권위지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF:38.532, JCR 분야 상위 0.182%) 최신 온라인판에 게재되었다. * (논문명) Stimulating Cu-Zn alloying for compact Zn metal growth towards high energy aqueous batteries and hybrid supercapacitors - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권민형 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이민아 선임연구원 그림 설명 [그림1] 기존 수계 전해액에서 불규칙하게 생성되어 부식 반응을 유발하는 아연 입자와 달리 DES 용액에서 성장시킨 아연은 빽빽하고 균일하여 충·방전 후에도 안정적으로 구조를 유지한다. [그림2] 아연금속 전해도금 후의 표면 및 단면 미세구조 [그림3] KIST 이민아 박사팀 연구진은 (좌측) 염화콜린(ChCl)과 (가운데) 요소(UREA)를 혼합하여 (우측) 친환경 공융용매(DES)를 제작했다. [그림4] KIST 권민형 연구원이 공융용매를 활용하여 제작한 고밀도의 아연음극과 이를 적용하여 획기적으로 성능이 개선된 수계아연전지(파우치형)를 살펴보고 있다. [그림5] 차세대 수계아연전지용 고밀도 음극제조기술 개발에 성공한 KIST 에너지저장연구센터 이민아 박사(좌, 교신저자) 와 권민형 연구원(우, 제1저자).

- 저비용·친환경 전해도금 공정으로 아연금속 음극 성장 및 최적화 성공 - ‘폭발 위험’ 높은 리튬기반 에너지 저장장치를 수계아연전지로 대체 기대 최근 대부분의 ESS는 이차전지 중 기술 성숙도가 가장 높은 리튬이온전지를 채택하고 있다. 하지만 화재의 위험성으로 인해 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받고 있다. 국제적인 원자재 공급 불안정성 역시 큰 문제로 대두되고 있다. 반면 수계아연전지는 물을 전해질로 사용해 배터리 발화가 근본적으로 차단되며 원재료인 아연의 가격도 리튬의 1/16에 불과하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 수계아연전지 상용화의 열쇠인 ‘고밀도 아연금속 음극’ 제조기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 제조기술은 특히 저비용·친환경 용액을 이용하여 쉽고 간단한 전해도금 공정만으로도 높은 에너지밀도와 긴 수명의 아연금속 음극을 만들 수 있어 수계아연전지 대량생산의 기폭제가 될 것으로 전망되고 있다. 이론적으로 수계아연전지는 다가 이온을 활용하여 이온 하나당 두 개의 전자를 이용하기 때문에 알칼리 금속 이온 대비 부피당 에너지밀도 측면에서도 유리하다. 전지를 제작할 때 음극으로 사용되는 아연금속의 용량이 양극의 2배만 넘지 않으면 현재 상용화된 리튬이온전지에 버금가는 에너지밀도의 구현이 가능하다. 심지어 아연금속의 용량이 양극의 5배에 달해도 부피당 에너지밀도 측면에서 차세대 배터리로 주목받는 소듐이온전지와 비슷할 만큼 경쟁력이 뛰어나다. 하지만, 아연금속 음극은 전지 구동 시 나노입자가 불규칙하게 성장하고 부식이 일어나 이차전지의 에너지 밀도와 수명을 지속적으로 저하시킨다는 문제를 안고 있었다. 음극 내 낮은 아연금속 입자 밀도와 넓은 표면적이 전해액과의 부식반응을 가속화해 활성 아연금속과 전해액을 고갈시키는 것이다. 기존의 연구들은 이런 수명의 한계를 보완하기 위해 일반적으로 필요보다 20배 이상 많은 양의 두꺼운 아연금속을 사용하는데, 이는 역설적으로 수계아연전지의 최대 강점인 에너지밀도와 가격 경쟁력의 저하를 불러올 수밖에 없었다. 이에 따라 KIST 이민아 박사팀은 수계아연전지의 에너지밀도와 수명 저하를 유발하는 부반응을 줄이기 위해 아연금속 음극의 미세구조를 제어했다. 이를 통해 상온에서 간단하게 합성할 수 있는 DES(Deep eutectic solvent, 깊은공융용매) 용액을 제조했다. 제조한 DES 용액은 콜린클로라이드(Choline chloride, ChCl)와 요소(Urea)를 1:2의 몰비로 혼합하여 녹는점이 12℃인 액체 상태의 복합체가 되는 대표적인 DES 물질로 알려져 있다. 연구진은 DES 내에서 아연과 구리 집전체 사이에 친아연성 구리-아연 합금층이 자발적으로 형성되며 고밀도의 아연 입자를 성장시킨다는 사실을 확인했다. 연구진은 이를 활용해 저비용·친환경인 DES용액에서 아연금속을 조밀하고 균일하게 성장시키는 전해도금 공정을 개발하는데 성공했다. 이렇게 제조한 아연금속 음극을 수계아연전지 시스템에 적용한 결과, 부식반응이 효과적으로 억제돼 7000회 이상의 반복적인 충방전 이후에도 70% 이상의 용량을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 얇은 아연을 활용한 기존의 유사 연구들 중에 가장 뛰어난 결과이며 상용 리튬이온 이차전지의 충방전 수명(1000~2000회)을 크게 상회하는 수치이다. KIST 이민아 박사는 “신재생에너지 보급과 확대의 가장 큰 걸림돌인 ESS의 화재 안전성을 단번에 해결할 수 있는 수계아연전지의 상용화 핵심 기술을 개발하게 됐다”라며 “이번 고밀도 아연음극 제조기술은 특히 경제적이고 친환경적인 DES 용액과 이미 산업 전반에서 널리 쓰이는 전해도금 공정이 결합돼 수계아연전지 대량 생산의 길을 열게 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 한국연구재단 나노·미래소재원천기술개발사업, 개인연구사업(중견연구) 및 KIST 주요사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 에너지 및 환경과학 분야의 세계적 권위지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF:38.532, JCR 분야 상위 0.182%) 최신 온라인판에 게재되었다. * (논문명) Stimulating Cu-Zn alloying for compact Zn metal growth towards high energy aqueous batteries and hybrid supercapacitors - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권민형 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이민아 선임연구원 그림 설명 [그림1] 기존 수계 전해액에서 불규칙하게 생성되어 부식 반응을 유발하는 아연 입자와 달리 DES 용액에서 성장시킨 아연은 빽빽하고 균일하여 충·방전 후에도 안정적으로 구조를 유지한다. [그림2] 아연금속 전해도금 후의 표면 및 단면 미세구조 [그림3] KIST 이민아 박사팀 연구진은 (좌측) 염화콜린(ChCl)과 (가운데) 요소(UREA)를 혼합하여 (우측) 친환경 공융용매(DES)를 제작했다. [그림4] KIST 권민형 연구원이 공융용매를 활용하여 제작한 고밀도의 아연음극과 이를 적용하여 획기적으로 성능이 개선된 수계아연전지(파우치형)를 살펴보고 있다. [그림5] 차세대 수계아연전지용 고밀도 음극제조기술 개발에 성공한 KIST 에너지저장연구센터 이민아 박사(좌, 교신저자) 와 권민형 연구원(우, 제1저자).