- 3세대 전기자동차용 안전한 소재 설계를 위한 발판 마련 - 전극 소재의 열분해 메커니즘 규명 및 실시간 분석 플랫폼 구축 최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제이다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용하여 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 통하여 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 밝혔다. 배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다. 양극소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한, 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다. 배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석하였다. 그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었다. KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰하였다. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 본 연구를 통하여 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다.”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법을 통하여 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하여, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신호에 게재될 예정이다. * (논문명) Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조은미 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 <그림설명> [대표 이미지] KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도 [그림 1] 실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 [그림 2] NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계

- 3세대 전기자동차용 안전한 소재 설계를 위한 발판 마련 - 전극 소재의 열분해 메커니즘 규명 및 실시간 분석 플랫폼 구축 최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제이다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용하여 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 통하여 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 밝혔다. 배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다. 양극소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한, 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다. 배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석하였다. 그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었다. KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰하였다. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 본 연구를 통하여 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다.”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법을 통하여 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하여, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신호에 게재될 예정이다. * (논문명) Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조은미 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 <그림설명> [대표 이미지] KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도 [그림 1] 실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 [그림 2] NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계

- 3세대 전기자동차용 안전한 소재 설계를 위한 발판 마련 - 전극 소재의 열분해 메커니즘 규명 및 실시간 분석 플랫폼 구축 최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제이다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용하여 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 통하여 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 밝혔다. 배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다. 양극소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한, 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다. 배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석하였다. 그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었다. KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰하였다. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 본 연구를 통하여 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다.”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법을 통하여 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하여, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신호에 게재될 예정이다. * (논문명) Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조은미 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 <그림설명> [대표 이미지] KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도 [그림 1] 실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 [그림 2] NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계

- 3세대 전기자동차용 안전한 소재 설계를 위한 발판 마련 - 전극 소재의 열분해 메커니즘 규명 및 실시간 분석 플랫폼 구축 최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제이다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용하여 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 통하여 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 밝혔다. 배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다. 양극소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한, 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다. 배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석하였다. 그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었다. KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰하였다. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 본 연구를 통하여 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다.”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법을 통하여 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하여, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신호에 게재될 예정이다. * (논문명) Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조은미 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 <그림설명> [대표 이미지] KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도 [그림 1] 실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 [그림 2] NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계

- 3세대 전기자동차용 안전한 소재 설계를 위한 발판 마련 - 전극 소재의 열분해 메커니즘 규명 및 실시간 분석 플랫폼 구축 최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제이다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용하여 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 통하여 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 밝혔다. 배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다. 양극소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한, 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다. 배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석하였다. 그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었다. KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰하였다. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 본 연구를 통하여 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다.”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법을 통하여 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하여, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신호에 게재될 예정이다. * (논문명) Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조은미 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 <그림설명> [대표 이미지] KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도 [그림 1] 실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 [그림 2] NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계

- 3세대 전기자동차용 안전한 소재 설계를 위한 발판 마련 - 전극 소재의 열분해 메커니즘 규명 및 실시간 분석 플랫폼 구축 최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제이다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용하여 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 통하여 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 밝혔다. 배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다. 양극소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한, 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다. 배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석하였다. 그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었다. KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰하였다. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 본 연구를 통하여 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다.”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법을 통하여 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하여, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신호에 게재될 예정이다. * (논문명) Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조은미 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 <그림설명> [대표 이미지] KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도 [그림 1] 실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 [그림 2] NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계

- 3세대 전기자동차용 안전한 소재 설계를 위한 발판 마련 - 전극 소재의 열분해 메커니즘 규명 및 실시간 분석 플랫폼 구축 최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제이다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용하여 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 통하여 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 밝혔다. 배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다. 양극소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한, 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다. 배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석하였다. 그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었다. KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰하였다. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 본 연구를 통하여 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다.”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법을 통하여 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하여, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신호에 게재될 예정이다. * (논문명) Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조은미 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 <그림설명> [대표 이미지] KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도 [그림 1] 실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 [그림 2] NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계

- 3세대 전기자동차용 안전한 소재 설계를 위한 발판 마련 - 전극 소재의 열분해 메커니즘 규명 및 실시간 분석 플랫폼 구축 최근 전기자동차 배터리의 화재 사고가 끊이지 않고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 스마트폰 등의 소형 모바일 기기와 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성되기 때문에 배터리의 불안정성은 인적, 물적 피해를 초래하는 매우 중요한 문제이다. 화재의 원인을 밝혀내려는 다양한 노력이 진행 중인 가운데 국내 연구진이 배터리의 열적 불안정성을 평가할 수 있는 새로운 분석기법을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀이 투과전자현미경을 이용하여 배터리 양(+)극 소재의 열 안정성을 평가할 수 있는 실시간 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 통하여 전기 자동차용 하이-니켈계 양(+)극 소재의 미세한 화학조성의 변화에 따른 열분해 메커니즘의 변화를 규명했다고 밝혔다. 배터리의 양극은 충전용량, 즉 전기자동차의 주행거리를 결정짓는 핵심적인 부분이다. 양극 소재는 니켈·코발트·알루미늄 또는 니켈·망간·코발트 등의 여러 성분을 적정 비율로 배합하여 제작하는데, 기업 및 학계 연구진들은 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 새로운 구성 비율을 찾으려 노력하고 있다. 양극소재에는 니켈 금속이 들어가는데, 니켈이 많이 포함될수록 더 큰 충전용량을 확보할 수 있다. 또한, 니켈은 함께 구성되는 코발트보다 상대적으로 저렴하여 전기자동차 보급에 필수적인 배터리 단가를 낮추는 효과도 있다. 하지만 니켈은 그 충전용량이 큰 만큼 외부 환경에 쉽게 반응하려는 성질이 있어 배터리의 안정성이 낮아지는 치명적인 단점을 갖고 있다. 최근 개발 중인 3세대 전기자동차용 양극 소재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높이고 있어서, 이로 인한 안정성 저하를 필수적으로 개선해야 한다. 배터리의 화재는 주로 충전된 산화물계 양극 소재와 발화성 액체 전해질의 격렬한 발열 반응에서 기인하기 때문에, 연구진은 전해질과 맞닿아 있는 양극 표면에 초점을 맞춰 다양한 투과전자현미경 분석기법(전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 온도의 상승에 따른 전극 구조의 결정구조, 구성성분의 화학적 변화를 면밀히 관찰·분석하였다. 그 결과, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극 소재에서의 화학 조성에 따른 배터리 열적 안정성 저하 원인과 배터리의 안전성 확보를 위한 구성 원소의 역할을 규명할 수 있었다. KIST 연구진은 NCA 양극 소재에서의 알루미늄 대비 니켈의 증가는 용량의 향상을 보이지만, 실제 상한 충전상태(총 리튬 이온의 67% 반응)에서 열 안정성이 크게 저하되는 것을 관찰하였다. 이를 분석한 결과, 실제 산화/환원반응에 참여하지 않는 알루미늄 원소가 부족해 충전 과정 중, 열 안정성을 저하시킬 수 있는 새로운 상(O1 Phase)을 형성하게 하고, 불안정해진 새로운 상의 표면 구조가 결국 저하된 열 안정성의 원인임을 밝혔다. KIST 장원영 박사는 “최근 전 세계적으로 잇따른 전기 자동차의 화재가 발생하고 있으며, 발화 원인이 배터리인 경우가 많았다. 본 연구를 통하여 고성능 양극 소재 개발에 있어서 열 안정성을 확보할 수 있는 화학조성 설계의 중요성을 확인했다.”고 밝혔다. KIST 전북분원 김승민 박사는 “발열 반응의 시발점인 양극 소재 자체의 열적 안정성을 확보하는 것은 전기 자동차 대중적 보급에 매우 중요한 역할을 한다. 이번에 개발한 고도 분석기법을 통하여 향후에는 미량 원소의 혼입에 따른 영향을 파악하여, 안정성이 확보된 고성능 양극소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:16.602, JCR 분야 상위 4.29%) 최신호에 게재될 예정이다. * (논문명) Different Thermal Degradation Mechanisms: Role of Aluminum in Ni-rich Layered Cathode Materials - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조은미 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 책임연구원 <그림설명> [대표 이미지] KIST 연구진이 전기차용 양극소재로 널리 쓰이는 NCA (니켈·코발트·알루미늄)에서의 배터리 화재의 위험성을 줄여줄 수 있는 알루미늄 원소의 역할을 그린 예상도 [그림 1] 실제 상한 충전상태에서의 NCA양극 소재의 화학 조성에 따른 열안정성 차이 원인 규명 [그림 2] NCA 양극 소재에서의 니켈과 알루미늄의 교환으로 인한 전지성능과 열안정성과의 상충적 관계

화학구조 제어를 통한 탄소섬유 고강도화 기술 개발 - 화학적 구조 규명을 통한 고강도 탄소섬유 제조 원천기술 개발 - 기존의 탄소섬유 성능을 뛰어넘는 새로운 모델 제시 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재 연구센터 이성호 박사팀은 일본 신슈대학의 Endo 교수팀, 전북대학교 김환철 교수팀과 화학적 구조규명을 통한 고강도 탄소섬유 제조 원천 기술을 개발하였다. 탄소섬유는 가벼우면서 높은 기계적 강도를 갖는 구조용 복합소재의 강화소재로 각광 받고 있다. 고분자 섬유의 열처리를 통하여 탄소함량이 90% 이상인 탄소섬유가 제조되며 원료물질과 공정이 모두 섬유 강도에 큰 영향을 미친다. 탄소섬유의 기계적 물성은 물리적 결함에 따라 좌우되는데 이러한 결함을 마이크로 크기에서 나노 크기로 조절하여 물성을 극대화하는 방식으로 연구가 진행되어 왔다. 이성호 박사팀은 일반적으로 알려진 물리적 특성이 아닌 화학적 특성을 조절하여 탄소섬유의 강도를 증가시키는 방식으로 연구를 진행하였다. 열처리 조건을 조절하여 특정 결합을 갖는 질소원소의 함량과 sp3(*용어설명) 구조의 함량을 증가시켜 탄소섬유에서 50% 이상의 기계적 물성 증가를 발견하였다. 따라서 물리적 구조 조절뿐만 아니라 화학적 구조를 함께 고려한다면 기존 탄소섬유의 물성을 뛰어 넘는 초고강도 탄소섬유 연구가 가능할 것으로 기대하고 있다. 현재까지 탄소섬유는 내부 및 외부에 존재하는 물리적 구조 결함에 따라 기계적 물성이 좌우 된다는 이론을 바탕으로 연구개발이 진행되어 왔다. 고분자 섬유의 열처리를 통하여 탄소섬유가 제조될 때 화학반응에 의하여 고분자 섬유 일부가 가스로 배출되며 섬유가 수축되고 내부에 기공이 생성된다. 추가적인 열처리에도 섬유에 존재하는 결함이 완전히 제거되지 않으며 이러한 결함이 탄소섬유의 강도에 영향을 미친다는 이론이다. 따라서 탄소섬유의 결함을 마이크로 크기에서 나노 크기로 줄이거나 결함의 함량을 줄이는 방향으로 탄소섬유 강도를 증가시키는 연구를 진행해 왔다. 본 연구에서는 탄소섬유의 화학적 구조에 중점을 두어 기계적 물성에 미치는 영향을 보고하였다. 열처리 조건에 따라 특정 결합을 갖는 질소원소와 sp3 구조 함량의 조절이 가능하며 특정 질소원소와 sp3 구조 함량 증가로 탄소섬유의 강도가 50% 향상되는 실험결과를 얻었다. 이러한 결과는 전산모사를 통하여 새로운 탄소섬유의 화학적 구조가 제시되었고 탄소섬유 강도 제어가 가능하다는 결과를 도출하였다. 기존에는 질소원소는 불순물로 여겨져 가능한 많이 제거하여 탄소섬유의 강도를 높이고자 하였으며 sp3 구조보다 sp2 구조가 탄소섬유 물성에 영향을 많이 주는 인자로 알려져 왔다. 1970년대부터 생산되어 온 탄소섬유는 가벼우면서 높은 기계적 강도를 나타내는 특징을 가지고 있어 항공기용 복합소재의 강화소재로 사용되면서 미래 소재로 각광을 받고 있다. 특히 자동차용 복합소재의 강화소재로 사용될 경우 차체 중량감소로 연비증가 및 이산화탄소 배출 감소 등 친환경에 부응할 것으로 기대된다. 연구를 주도한 KIST 이성호 박사는 “기존의 물리적 구조제어 연구와 함께 탄소나노섬유의 화학적 구조를 조절하여 기계적 강도를 극대화 할 수 있을 것으로 보이며, 향후 다양한 산업분야로 확대가 가능할 것으로 예상한다”고 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부(장관, 최양희) 지원으로 KIST 기관고유연구사업과 산업부 탄소밸리 연구사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 영국 네이처 출판 그룹(Nature publishing group: NPG)에서 주간으로 발행하는 과학전문저널인 Scientific Reports에 2016년 3월 23일자로 게재되었다. * (논문명) "Strengthened PAN-based carbon fibers obtained by slow heating rate carbonization" - (제1저자) 한국과학기술연구원 김민아 연구원 - (공동교신저자) 일본 신슈대학 Morinobu Endo 교수 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 전북분원 이성호 박사 <그림자료> <그림 1> 탄소구조 중앙에 질소원자가 위치하거나 layer와 layer 사이에 탄소원자가 위치하여 layer를 연결된 탄소섬유의 미세구조를 나타내고 있으며 이는 본 연구를 통하여 제시된 모식도임.

화학구조 제어를 통한 탄소섬유 고강도화 기술 개발 - 화학적 구조 규명을 통한 고강도 탄소섬유 제조 원천기술 개발 - 기존의 탄소섬유 성능을 뛰어넘는 새로운 모델 제시 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재 연구센터 이성호 박사팀은 일본 신슈대학의 Endo 교수팀, 전북대학교 김환철 교수팀과 화학적 구조규명을 통한 고강도 탄소섬유 제조 원천 기술을 개발하였다. 탄소섬유는 가벼우면서 높은 기계적 강도를 갖는 구조용 복합소재의 강화소재로 각광 받고 있다. 고분자 섬유의 열처리를 통하여 탄소함량이 90% 이상인 탄소섬유가 제조되며 원료물질과 공정이 모두 섬유 강도에 큰 영향을 미친다. 탄소섬유의 기계적 물성은 물리적 결함에 따라 좌우되는데 이러한 결함을 마이크로 크기에서 나노 크기로 조절하여 물성을 극대화하는 방식으로 연구가 진행되어 왔다. 이성호 박사팀은 일반적으로 알려진 물리적 특성이 아닌 화학적 특성을 조절하여 탄소섬유의 강도를 증가시키는 방식으로 연구를 진행하였다. 열처리 조건을 조절하여 특정 결합을 갖는 질소원소의 함량과 sp3(*용어설명) 구조의 함량을 증가시켜 탄소섬유에서 50% 이상의 기계적 물성 증가를 발견하였다. 따라서 물리적 구조 조절뿐만 아니라 화학적 구조를 함께 고려한다면 기존 탄소섬유의 물성을 뛰어 넘는 초고강도 탄소섬유 연구가 가능할 것으로 기대하고 있다. 현재까지 탄소섬유는 내부 및 외부에 존재하는 물리적 구조 결함에 따라 기계적 물성이 좌우 된다는 이론을 바탕으로 연구개발이 진행되어 왔다. 고분자 섬유의 열처리를 통하여 탄소섬유가 제조될 때 화학반응에 의하여 고분자 섬유 일부가 가스로 배출되며 섬유가 수축되고 내부에 기공이 생성된다. 추가적인 열처리에도 섬유에 존재하는 결함이 완전히 제거되지 않으며 이러한 결함이 탄소섬유의 강도에 영향을 미친다는 이론이다. 따라서 탄소섬유의 결함을 마이크로 크기에서 나노 크기로 줄이거나 결함의 함량을 줄이는 방향으로 탄소섬유 강도를 증가시키는 연구를 진행해 왔다. 본 연구에서는 탄소섬유의 화학적 구조에 중점을 두어 기계적 물성에 미치는 영향을 보고하였다. 열처리 조건에 따라 특정 결합을 갖는 질소원소와 sp3 구조 함량의 조절이 가능하며 특정 질소원소와 sp3 구조 함량 증가로 탄소섬유의 강도가 50% 향상되는 실험결과를 얻었다. 이러한 결과는 전산모사를 통하여 새로운 탄소섬유의 화학적 구조가 제시되었고 탄소섬유 강도 제어가 가능하다는 결과를 도출하였다. 기존에는 질소원소는 불순물로 여겨져 가능한 많이 제거하여 탄소섬유의 강도를 높이고자 하였으며 sp3 구조보다 sp2 구조가 탄소섬유 물성에 영향을 많이 주는 인자로 알려져 왔다. 1970년대부터 생산되어 온 탄소섬유는 가벼우면서 높은 기계적 강도를 나타내는 특징을 가지고 있어 항공기용 복합소재의 강화소재로 사용되면서 미래 소재로 각광을 받고 있다. 특히 자동차용 복합소재의 강화소재로 사용될 경우 차체 중량감소로 연비증가 및 이산화탄소 배출 감소 등 친환경에 부응할 것으로 기대된다. 연구를 주도한 KIST 이성호 박사는 “기존의 물리적 구조제어 연구와 함께 탄소나노섬유의 화학적 구조를 조절하여 기계적 강도를 극대화 할 수 있을 것으로 보이며, 향후 다양한 산업분야로 확대가 가능할 것으로 예상한다”고 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부(장관, 최양희) 지원으로 KIST 기관고유연구사업과 산업부 탄소밸리 연구사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 영국 네이처 출판 그룹(Nature publishing group: NPG)에서 주간으로 발행하는 과학전문저널인 Scientific Reports에 2016년 3월 23일자로 게재되었다. * (논문명) "Strengthened PAN-based carbon fibers obtained by slow heating rate carbonization" - (제1저자) 한국과학기술연구원 김민아 연구원 - (공동교신저자) 일본 신슈대학 Morinobu Endo 교수 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 전북분원 이성호 박사 <그림자료> <그림 1> 탄소구조 중앙에 질소원자가 위치하거나 layer와 layer 사이에 탄소원자가 위치하여 layer를 연결된 탄소섬유의 미세구조를 나타내고 있으며 이는 본 연구를 통하여 제시된 모식도임.