에너지자원공학과: 에너지환경 전기화학시스템

 에너지자원공학과에서는 현재 자원공학이 주된 연구 과제인데요, 그렇다면 에너지 분야에서는 어떤 연구가 진행되고 있을까요? 에너지자원공학과에서 떠오르는 분야인 배터리에 숨은 정교함을 찾을 수 있는, 에너지환경 전기화학시스템을 소개합니다.

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1.1 과목의 개요

 여러분들은 배터리에 대해 얼마나 잘 알고 계신가요? 대부분 리튬이온 배터리에 대해 이름 정도는 들어봤지만 작동 원리나 공학적 메커니즘은 모르는 경우가 많으실 텐데요, 에너지환경 전기화학시스템에서는 기본적인 전기화학의 개념부터 리튬이온 배터리의 작동 구조 및 최신 연구 동향을 배울 수 있습니다. 나아가, 배터리 재사용과 수소산업 등 관련된 산업의 최신 연구 동향까지 배우게 됩니다.

 4학년을 대상으로 2학기에 개설되는 전공 선택 과목입니다. 영어로 진행되는 수업이고, 고학년 대상 과목인 만큼 무기화학 등의 배경 지식이 없다면 이해가 어려운 면이 있습니다. 하지만 어려운 만큼 배워 가는 것들도 많고, 배터리에 대한 지식이 없던 저도 즐겁게 수강할 수 있었습니다!

1.2 키워드 설명

1) 전기화학의 기본 - 전극과 기준 전위

 리튬 이온 배터리의 구조와 종류를 배우기 위한 배경 지식으로써 전기화학의 기초인 Nernst Equation과 Faradaic Process, Galvanic Cell과 Electrolytic Cell 등의 기본 전기화학을 배우게 됩니다.

 Nernst Equation은, 화학전지에서 전극과 전해질 사이 계면의 non-Faradaic process 과정을 통해 유도할 수 있는 전극의 voltage (potential) 계산 식입니다. Nernst Equation은 전극과 전해질 사이에 전자 전달이 매우 빠르게 일어나, 전지의 voltage에 영향을 미치는 요소가 반응물과 생성물의 확산 속도 뿐일 때를 가정해야만 적용 가능합니다.
$$
E=E^{0'}+\frac{RT}{nF}ln\frac{C_{O(x=0)}}{C_{R(x=0)}}
$$

($E$: 전지의 potential, $E^{0'}$: formal potential, $F$: 패러데이 상수, $C_{O(x=0)}, C_{R(x=0)}$: 전극과 전해질 계면에서 Oxidant와 Reductant의 농도)

Faradaic process란 전자가 반응에 포함된 모든 과정을 의미합니다. 이와 반대되는 non-Faradaic process는 이온이 정전기적 인력 등에 의해 이동할 뿐 전자가 직접 관여하지 않는 반응을 의미합니다. 화학전지에서 전해질이 Faradaic process를 거칠 경우 양극과 음극의 전위 차를 유지할 수 없으므로, 전해질은 항상 정전기적 인력을 통하는 non-Faradaic process를 거칩니다. 전극에서 일어나는 Faradaic process 반응을 흔히 다음과 같이 나타냅니다.

$$
O+ne^-\leftrightarrow R
$$

($O$: oxidant, $e^-$: electron, $R$: reductant)

 Galvanic Cell은 가장 기초적인 화학전지로, 양극과 음극을 전해질을 통해 연결할 경우 반응성 차이로 인해 외부 전원이 없더라도 자발적으로 전류가 흐르게 됩니다. 반대로 Electrolytic Cell은, Galvanic Cell에 외부 전원을 연결하여 Galvanic cell의 전류 방향과 반대로 비자발적인 반응이 일어날 수 있게 만든 전지입니다.

Zn과 Cu 전극으로 이루어진 Galvanic cell, Electrolytic cell의 구조.
(출처: Mohd Said, N. A. (2014). Electrochemical biosensor based on microfabricated electrode arrays for life sciences applications (Doctoral dissertation, University College Cork).)

 

2) 리튬 이온 배터리(Lithium Ion Battery, LIB)의 구조

 본격적으로 리튬 이온 배터리를 배우며, Cathode와 Anode, Electrolyte 및 Additive의 자세한 구조와 작동 구조를 다루게 됩니다.

 LIB의 Cathode는 충전 시 $Li^+$을 방출하고 방전 시 $Li^+$를 저장하는 물질입니다. 가장 널리 사용되는 Cathode의 구조로 Layered, Spinel, Olivine 구조를 배우게 됩니다.

왼쪽부터 Layered, Spinel, Olivine 구조를 갖는 LCO, LMO, LFP cathode의 구조 및 특징.
(출처: Julien, C. M., Mauger, A., Zaghib, K., & Groult, H. (2014). Comparative issues of cathode materials for Li-ion batteries. Inorganics, 2(1), 132-154.ISO 690)

LIB의 Anode는 반대로 충전 시 $Li^+$를 저장하고 방전 시 $Li^+$를 방출하는 물질입니다. 가장 많이 사용되는 $Li^+$ 저장 메커니즘으로 Insertion, Conversion, Alloying type anode를 배우게 됩니다.

Anode의 대표적인 mechanism인 Insertion, Conversion, Alloying 과정을 묘사한 그림.
(출처: Xu, Z. L., Liu, X., Luo, Y., Zhou, L., & Kim, J. K. (2017). Nanosilicon anodes for high performance rechargeable batteries. Progress in Materials Science, 90, 1-44.ISO 690)

 LIB의 Electrolyte은 LIB에서 비금속으로 이루어져 있는 구성성분입니다. 앞서 알아본 대로 전해질은 non-Faradaic process를 진행해야 하지만, 양극과 음극과 접촉한 계면에서는 Faradaic process를 진행하며 분자가 분해됩니다. 하지만 이러한 과정은 LIB의 수명을 늘리는 역할을 하기 때문에, 이를 촉진하기 위해 Additive를 사용하곤 합니다.

nonorganic electrolyte로 많이 사용되는 EC(ethylene carbonate)과 대표적인 additive인 VC(vinylene carbonate), FEC(fluoroethylene farbonate)의 분자구조 및 LUMO, HOMO 에너지 준위.
(출처: Energy Environ. Sci. 11, 1552 (2018))

 

3) LIB의 응용 - Lithium Ion Recovery

 마지막으로 LIB가 충전/방전의 과정에서 양극과 음극이 $Li^+$를 저장 및 방출한다는 것을 이용하여, Lithium Ion Recovery를 진행할 수 있습니다. $Li^+$가 녹아 있는 액체에 LIB의 양극과 음극을 꽂고, 중간에 전해질을 교체하는 과정을 통해 이를 해내게 됩니다.

Lithium Ion Recovery 과정의 Review by Hanwei Yu

 특히 양극을 이용하여 Electrochemical Lithium Ion Recovery를 진행할 때는, 양극의 종류에 따라 $Li^+$만을 선택적으로 저장할 수 있는 종류를 사용해야 합니다. 이를 위해 앞서 배웠던 세 가지 종류의 양극 중 $Li^+$ channel이 작아 선별이 용이한 Spinel/Olivine 구조를 주로 사용합니다.

2. 선배의 조언

 에너지환경 전기화학시스템은 에너지자원공학과의 다른 과목들과 달리 전기화학에 중점을 두고 수업이 진행되기 때문에, 기본적인 전기화학과 무기화학의 개념을 알고 있어야 합니다. 이를 위해 2학년 1학기 전공 필수 과목인 에너지자원열역학과 3학년 1학기 전공 선택 과목인 에너지자원전기화학의 선수강을 추천합니다. 무기화학의 경우 에너지자원공학과 전공 과목에서 벗어나, 화학생물공학부나 화학부의 수업을 따로 들으시는 것도 추천합니다.

 화학생물공학부에서 다루는 전기화학과 비교해보면, 화학생물공학부가 전반적인 전기화학과 이를 응용하는 개론의 성격을 띱니다. 반면 에너지환경 전기화학시스템은 기본 전기화학 내용을 안다는 가정 하에 이론적인 내용을 간단하게 다루고 리튬 이온 배터리를 자세히 배우게 됩니다.

 에너지환경 전기화학시스템을 공부할 때는, 다른 과목처럼 이론적인 내용에만 치중되게 공부하기보다는 인터넷 검색을 십분 활용하는 것이 좋습니다. 또한 LIB의 모든 내용을 전반적으로 다루기 때문에, 공부하며 떠오른 의문점들을 스스로 해결하는 과정에서 배터리에 대한 지식을 더욱 견고하게 쌓을 수 있습니다!

3. 진로 선택에 도움되는 점

 에너지환경 전기화학시스템 수업은 관심 분야가 배터리 쪽이라면 꼭 수강하시는 것을 추천드립니다. 특히 LIB 분야에 있어서는, A부터 Z까지 모든 내용을 다룬다고 봐도 무방할 정도로 자세한 수업을 들을 수 있었습니다.

 연구 분야에 있어서도, 진로에 있어서도 해당 분야와 관련된 꿈을 꾸신다면 수강하시는 것을 더더욱 추천드립니다.

4. 맺음말

 에너지환경 전기화학시스템 수업은 배터리 분야를 잘 모르는 저에게 LIB의 아름다움을 깨우쳐줬을 정도로 제게는 의미 깊은 수업이었습니다. 가장 기본적인 전기화학을 시작으로 전반적인 구조, 응용 분야까지 배터리와 관련된 내용을 두루 다루기 때문에 관심이 있는 분들께는 필수적으로 수강해야 할 강의입니다.

 즐거운 수강 되시길 바라겠습니다!