전기차와 수소차의 핵심은 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 전지입니다.
전지의 핵심은 전극입니다.
전극은 전기화학반응이 일어나는 기재입니다. 전극은 화학반응의 활성화에너지를 낮추면서 동시에 전하의 이동을 촉진할 수 있어야 합니다.
전극으로 많이 사용되는 물질은 탄소입니다. 탄소가 높은 전기전도도를 갖고 동시에 전기화학반응에 대해 내구성이 높기 때문이죠.
우리는 탄소재료를 합성합니다. 전지에서 많은 에너지를 저장하기 위해서는 표면적이 넓고 빠른 전하의 확산이 가능한 다공성 탄소재료가 필요합니다.
다공성 구조의 기공은 그 크기에 따라 마이크로, 메조, 매크로 기공으로 분류되는데요. 마이크로 기공은 표면적을 결정하며, 상대적으로 큰 메조/매크로 기공은 전하의 확산을 결정합니다. 따라서, 이들 기공이 적절히 포함된 탄소재료가 필요합니다.
우리 연구실은 두 가지 다른 접근으로 탄소전극을 제작합니다. 나노입자 탄소를 만들어 이를 조립하여 다공성 탄소전극을 제작하거나 3차원 리소그래피 기술을 이용하여 탄소전극을 제작합니다.
탄소나노입자 자가조립
(참고문헌: Complete encapsulation of sulfur through interfacial energy control of sulfur solutions for high-performance Li−S batteries)
3차원 리소그래피 패턴
(참고문헌: 3D Bicontinuous Structure of a Pseudocapacitive Ultrathin Shell/Carbon Core: A Novel Electrode for Thin-Film Supercapacitors with High Areal Energy Density)
최근 전기차나 수소차에 대한 급격한 관심은 고용량이면서도 급속충방전이 가능한 전지의 개발로 이어지고 있습니다. 특히 탄소재료의 물성을 극복할 수 있는 전극재료에 대해 연구가 이루어지고 있는데요. 이런 물질로 각광받는 재료가 촉매입니다. 촉매는 화학공학 분야의 전통적 재료로 화학반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응속도를 배가하는 역할을 합니다.
우리 연구실은 이 관점에서 다양한 금속화합물을 형성하며 연구합니다. 예를 들어, 산화물 결정의 결함을 제어하거나 결함을 도입하는 방법에 의해 전기전도도와 활성을 제어하죠.
나노입자 촉매
(참고문헌: Microdomain sulfur-impregnated CeO2-coated CNT particles for high-performance Li-S batteries)
전산모사에 의한 촉매의 반응에너지 계산
(참고문헌: Solar Cell-Powered Electrochemical Methane-to-Methanol Conversion with CuO/CeO2 Catalysts)