소재부터 시스템까지!
우리 실험실은 한국에너지기술연구원(Korea Institute of Energy Research, KIER) 내 재생에너지연구소 에너지저장 연구단에서 에너지저장장치를 연구하는 연구실입니다. 저희는 박사 8명, 석사 2명 및 학생 9명으로 구성되어 있습니다. 저희는 대용량 에너지저장장치 중 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)와 리튬 이차 전지(Lithium ion Battery, LiB)를 주로 연구하고, 활물질 레벨의 작은 물질부터 스택과 모듈의 설계와 같은 큰 시스템까지 모두 아우르며 연구하고 있습니다. RFB는 크게 활물질이 반응하는 스택 부분과 활물질을 보관하는 탱크, 그리고 배터리 상태를 제어하는 battery management system(BMS), 그리고 전체적인 에너지를 모니터링 및 제어관리가 가능한 프로그램인 energy management system(EMS)로 구성되어 있습니다. 저희 실험실은 활물질로 상용화에 성공한 바나듐 이온과 저가형태의 무기물질 그리고 유기물질, 총 3가지를 연구하고 개발하고 있습니다. 새롭게 개발된 무기 혹은 유기물질의 경우 물질 설계부터 합성까지 진행하여 실험실 스케일의 스택에서 평가하여 물질의 실제 적용 가능성을 확인하고 있습니다. 스택의 경우, 바나듐 이온을 적용하여 전지의 효율을 높일 수 있는 촉매가 적용된 전극의 개발과 스택의 유로 설계, 스택의 부품 설계 및 computational fluid ynamics(CFD)를 통한 시뮬레이션으로 실제 에너지저장장치로 개발된 RFB 적용시의 문제점을 파악하고 개선하고 있습니다. 저희 연구실은 이렇게 개발된 시스템을 기반으로 한국에너지기술연구원 대전 본원 내 kWh 급 스케일의 평가 시스템을 구축하여 단순한 실험실 스케일이 아닌, 라지 스케일에서의 거동을 기반으로 기술의 효용성을 평가하고 있습니다. 실제 kWh 급 스케일의 RFB 구동에 필요한 BMS와 EMS 프로그램 설계 및 제주 분원에 위치한 실증 사이트에서의 평가 결과를 바탕으로 한 개선을 통해 실제 적용이 가능한 대용량 저장 장치의 개발의 작은 부분부터 큰 부분까지 아우르며 개발하고 있습니다.
두 번째로 저희 실험실에서 주로 연구하는 LiB관련 연구는 소재부터 모듈과 시스템을 아우릅니다. 소재의 경우, 음극에서의 고출력 특성 향상을 위한 SiOx의 코팅층 개발 및 양극의 출력 특성 개선을 위한 graphene sheet 형태의 도전재 개발을 진행하고 있습니다. 전해질에서는 올리고머 합성을 통해 전기화학적 성능 개선을 위한 고분자 전고체 전해질을 개발 중에 있습니다. 또한 이렇게 개선된 소재를 적용하여 평가할 수 있는 배터리 시험의 구축을 위하여 글러브 박스와 드라이룸을 구비하여 코인셀부터 Ah 급 파우치셀 조립을 할 수 있는 연구실을 구축하였습니다. 또한 이렇게 개발된 소재가 적용된 셀이 모여 모듈을 이루고 이 모듈을 적용할 수 있는 라지 스케일의
팩 설계 및 개발까지 진행하여 단순 Ah 급 셀이 아닌 대용량의 에너지저장장치를 평가할 수 있는 시스템을 구축하고 있습니다.
우리 연구실의 전통 및 장점
우리 연구실은 매주 금요일 오전에 세미나를 진행합니다. 박사부터 학생까지 모두 세미나 때 본인이 진행하고 있는 과제의 연구 주제에 대해서 발표하고 서로 자유롭게 논의합니다. 매주 발표를 하다 보니 발표 실력이 늘어나고 긴장을 하는 버릇이 없어지는 것은 물론, 발표 자료의 구성을 연습할 수 있는 좋은 자리입니다. 각각의 연구주제가 달라 RFB부터 LiB까지 다양한 연구분야를 하는 사람들의 연구 주제 및 실험 결과에 대해서 매주 듣기 때문에, 자신이 하는 분야가 아니더라도 다 양한 전지 형태에 대한 지식을 기를 수 있는 장점이 있습니다.
또한 단순히 소재만 하는 실험실이 아니라 라지 스케일의 스택까지 다루기 때문에, 소재 연구하는 사람들이 스택 연구자들의 요구나 불편을 세미나 시간에 논의를 통해 파악하여 즉각적으로 반영이 가능하다는 가장 큰 장점이 있습니다. 가끔 세미나 끝나고 점심 식사를 함께하며 서로 친목을 도모하기도 합니다. 또한 저희 연구실의 장점은 한국에너지기술연구원의 구성원으로서, 다양한 실험실과 함께 지내기 때문에 다양한 실험실에서 진행하는 외부 초청인사의 세미나를 경험할 수 있다는 것입니다. 저희 연구원은 촉매부터 연료전지까지 다양하게 하고 있기 때문에 단순히 전지에 국한된 분야가 아니라 대용량 저장 장치와 연결된 재생에너지 관련 세미나도 경험할 수 있어 학회를 가는 것과 같이 다양한 분야를 경험하는데 유용합니다.
마지막으로 저희 연구실은 일만 하는 것이 아니라 건강한 몸에서 건강한 마음이 자란다는 마음으로 매년 춘계와 추계에 체육대회를 진행합니다. 저희 실험실뿐만 아니라 같은 소속의 다른 학생 및 박사들도 함께하는 대회로 하루는 일을 잠시 멈추고 족구, 축구, 제기차기, 피구 등 다양한 구기 종목에서 내재된 체력 및 장기를 뽐내며 웃고 즐기는 시간을 갖습니다. 또한 이번 탁구 대회에서는 저희 실험실의 김건수 학생이 전체 연구원에서 3등을 차지하는 영광도 가져보았습니다.
이렇게 저희 연구실은 다양한 연구원 및 실험실 내 체육 행사를 통해 친목과 행복을 같이 추구하고 있습니다.
앞으로 계속되는 재생에너지에 대한 국제적인 요구로 인해 대용량 에너지 저장 장치에 대한 요구는 증가할 것으로 보입니다. 이에 맞춰 저희 실험실은 이를 맞출 수 있는 소재 및 기술 개발을 하여 탄소중립에 기여할 수 있기를 희망합니다. 그를 위해 실험실 소재 단에서부터 라지 스케일까지의 실증을 하고 함께 상생하여 개발할 수 있게 서로의 힘을 합치고 있습니다. 그 과정에 있어서 학생들뿐만 아니라 박사들도 배움을 통해 성장하고 있습니다. 항상 배우는 자세와 성실한 자세로 함께 협업하며 웃는 저희 실험실이 더욱 더 발전하기를 희망하며 이 글을 마칩니다.
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