에너지 저장·변환 전기화학연구실

#에쉘(ESHEL)

우리 실험실은요? 부산대학교 화학과 에너지 저장/변환 전 기화학 연구실 (Energy Storage and Harnessing Electro- chemistry Lab., ESHEL)은 2017년 가을 문을 연 이래로 이차전지 소재의 물리/전기화학적 원리를 깊이 이해하고, 이를 바탕으로 고에너지/고출력/고안전성 소재를 개발하고 있습니 다. 구체적으로 리튬이온전지와 마그네슘/아연-기반 차세대 전 지의 전극 소재를 합성하여 전기화학적/분광학적으로 분석하고, 전지의 작동 원리를 이해하기 위한 다중 물리 전산모사를 수행하고 있습니다.

저희 연구실 이름인 에쉘(ESHEL)은 중동의 사막에서 자라는 나무의 이름으로, 뿌리를 암반 아래 지하수까지 깊이 내려 사막에서도 꿋꿋이 자라는 상록수를 의미합니다. 교수님께서 연구실 학생들이 에쉘 나무처럼 전기화학에 깊이 뿌리를 박고 창조적인 연구자들로 자라기를 바란다는 뜻으로 지으신 이름 입니다.

2024년 현재 ESHEL은 1명의 박사 후 연구원, 3명의 박사과정 학생들, 8명의 석사과정 학생들로 구성되어 있습니다. 교 수님께서는 매주 그룹미팅 및 개인미팅을 진행하시고 있습니다. 적지 않은 인원임에도 불구하고 모든 학생들을 한 명 한명 신경 써 주시며 연 구 진행 상황을 세심하게 지도해 주십니다.

교수님께서는 이렇듯 뛰어난 강의력과 열정적인 학생 지도를 통해 지난해 부산대학교 교육자상을수상하셨습니다. 또한 안전이 최우선이라는 연구실의 모토 아래, 저희 ESHEL은 안전 관리 우수연구실에 선정되었으며 항상 실험실 안전 관리에 만전을 기하고 있습니다.

#What does 에쉘 do?

에쉘은 리튬이차전지의 양극재와 전해질, 그리고 차세대 전지까지 다양한 이차전지 분야에 대해 연구를 진행하고 있습니 다. 그중에서도 저희가 하는 연구를 대표적으로 보여줄 수 있는 몇 가지 주제를 소개해 볼까 합니다.

Part 1. 리튬이차전지 양극재

-  시뮬레이션

배터리는 복합적인 반응의 결과로 현상이 나타나기 때문에 원인분석에 오랜 시간이 걸린다는 특징이 있습니다. 이런 면에서, 모델링을 통한 예측은 배터리의 개선점을 파악할 수 있어 시간을 단축하고 연구에 불필요한 에너지를 감축할 수 있습니다. 현재 연구실에서는 COMSOL 프로그램 및 Python 코드를 활용한 시뮬레이션을 진행하고 있습니다.

-  합성

양극재 합성의 경우 공동침전(Co-precipitation)이라 부르 는 전구체 합성 과정을 통해 구형의 입자를 얻습니다. 이를 위 해 온도와 pH가 조절된 배치 반응기(Batch Reactor)를 사용 해 합성을 진행하고 있습니다. 반응 조건의 경우 LabVIEW 프 로그램으로 정량펌프와 pH미터를 컴퓨터에 연동하여 각 소재 별로 적합한 합성 조건을 구현해 내고 있으며, 우수한 성능의 전구체를 대량 합성하여 연구에 활용하고 있습니다.

- 실시간 분석

리튬이차전지 양극재의 경우, 충∙방전 과정에서 리튬이온의 삽입 및 탈리로 인해 결정구조가 변화하기 때문에 물리적 변 화를 실시간으로 관찰할 수 있는 ‘실시간 분석’이 중요합니다. 현 재 연구실에서는 전지 구동 중 X-선 회절 분석기(in-operando XRD)와 전기화학 석영 결정 미세저울(electrochemical quartz crystal microbalance, EQCM), 엔트로피메트리(entropym- etry)를 통한 실시간 전지 분석을 다양한 양극재의 설계 및 성능 향상을 위한 중요한 도구로 활용하고 있습니다.

Part 2. 리튬이차전지 전해질

배터리의 4대 주요 구성요소 중 하나인 리튬이온전지 전해질에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 전해질의 농도에 따른 몰 전도도 영향을 설명하는 콜라우쉬 법칙(Kohlrausch's law) 이 존재하나, 전해질의 농도가 증가하는 경우, 그 경향을 따르 지 않게 됩니다. 이 오차값을 줄이고자 여러 인자들을 고려한 보정 함수를 사용함으로써, 이에 따른 리튬이온의 이동과 전기 전도도를 좀 더 정확히 예측할 수 있는 관계식을 유도하는 연 구를 진행 중입니다.

Part 3. 차세대 전지

-  마그네슘 이온 배터리

차세대 배터리 중 하나로 주목받고 있는 마그네슘 배터리는 지구상에 그 매장량이 풍부해 리튬이온 배터리에 비해 가격이 굉장히 저렴하며 단위부피당 용량이 크다는 장점이 있습니다. 우리 연구실에서는 전기화학 분석과 X-ray를 활용한 다양한 분석법을 통하여 마그네슘 배터리에 적합한 양극과 전해질을 찾기 위한 연구를 활발히 진행 중입니다.

-  아연 이온 배터리

아연 이온 배터리는 비독성이고, 수계 배터리에서 사용되는 다른 음극 물질에 비해 낮은 산화환원 전위를 가지며, 과전위 에 대한 물에서의 안정성 때문에 차세대 배터리로 각광받고 있 습니다. 아연 배터리가 상용화되기 위해서는 아연 부식 속도를 낮추는 것이 중요하기 때문에, 이를 위해 전기화학 석영 결정 미세저울(EQCM)을 사용해 수계 아연 전해질에서 Zn의 용출 과 부식을 측정하고 ZnxOy로 이루어진 표면 필름의 생성과 제 거를 분석하는 연구를 진행 중입니다.

#에쉘 at the Conference

저희 연구실의 장점은 교수님께서 배움에 있어 아낌없는 지원을 해 주신다는 것입니다. 이차전지 분야와 관련된 학회와 전시회라면 참석하여 견문을 넓힐 수 있도록 적극적으로 지원해 주십니다. 대한화학회, 한국전기화학회, 한국화학공학회 등 연구 분야와 관련된 발표가 있는 학회라면, 참가하여 각자 듣 고 싶은 세션과 심포지엄을 적극적으로 찾아 들으며, 더 넓은 시야로 연구 방향과 아이디어를 도출하는 데 힘쓰고 있습니다. 학회와 심포지엄에 대한 교수님의 아낌없는 지원으로 이차전 지에 대한 견문을 넓혀 나가는 중입니다.

#에쉘’s free time

“건강이 제일”을 강조하시는 교수님께서는 학생들의 건강을 최우선으로 생각하시며, 안녕을 묻는 일을 당연한 일처럼 여기 십니다. 이러한 가치를 바탕으로, 매주 금요일마다 연구실 동료들과 함께 배드민턴을 치는 시간을 보냅니다. 이를 통해 건 강을 챙기는 것은 물론, 동료들과 친목도 다지고 새로운 아이디어를 공유하며 서로의 연구에 새로운 시각을 제공하는 시간 을 마련하고 있습니다.

그 밖에도, 미식가들로 구성된 그룹원들이 주최하는 맛집 투 어나 소규모 랩 파티 등을 통해 함께하는 즐거운 시간을 가지 곤 합니다. 연구실 동료들은 먹는 것에 진심인 만큼, 누군가를 축하해줄 때도 정성을 다하는데요, 실제로 생일인 동료가 있을 때면 홀케이크를 주문해 함께 축하하고 선물을 전해주는 시간 을 가집니다. 이처럼 그룹원들과 함께하는 시간은 우리 연구실의 분위기를 더욱 건강하고 활기차게 만들어주며, 연구에 대한 열정, 즐거움을 함께 누리는 계기가 되고 있습니다. 이렇게 다 양한 활동을 통해 우리 연구실은 학문적인 성장뿐만 아니라, 팀워크와 친목을 함께 배워가고 있습니다.

#글을 마치며

2017년부터 2024년까지, 어느덧 에쉘은 8년 차 연구실이 되었습니다. 8년이라는 시간 동안 많은 선배님들과 교수님의 노력으로 훌륭한 성과는 물론 에쉘만의 체계적인 실험 시스템까지 갖추게 되었습니다. 그동안 이뤄온 일이 결코 작지 않은 만큼, 앞으로의 에쉘이 저희와 후배들의 노력으로 더욱 훌륭한 연구실로 커가기를 바라고, 또 그럴 수 있다고 자신합니다. 지 나간 시간들 만큼 다가올 날들이 행복하길 바랍니다. 마지막으로 항상 세심하게 저희를 지도해주시는 교수님을 향한 감사의 마음을 담아 삼행시로 마무리해 볼까 합니다.

유 : 난히

현 : 명하신 교수님,

덕 : 분에 지금의 저희가 있습니다. 감사합니다!