에너지화학공학과

배터리 셀 설계

Battery Cell Design

리튬이온이 충放전 시 양극과 음극 사이를 오가며 전자를 회로로 흘려보내는 원리로 작동하는 배터리에서, 저장 용량 와 전압 이 클수록 에너지 밀도가 높아지지만 동시에 분리막이 찢어지거나 내부 단락이 생기면 위험해지므로 에너지 밀도와 안전성을 동시에 만족시키는 셀 구조(각형, 파우치형, 원통형)를 설계함.

ex) 전기차 주행거리를 늘리려고 같은 부피에 더 많은 에너지를 담는 배터리 셀 설계 경쟁.

양극재와 음극재 합성

Cathode & Anode Material Synthesis

리튬이온이 충放전 중 들어갔다 나왔다 하는 결정 구조(호스트 격자)를 만드는 게 핵심으로, 양극재는 니켈·코발트·망간 등 금속 산화물을 정밀한 비율로 소성해 합성하고, 음극재는 흑연이나 실리콘 계열 소재를 가공해 만듦. 니켈 비율이 높을수록 에너지 밀도는 높아지지만 열 안정성은 떨어지는 트레이드오프가 있음.

ex) 삼원계(NCM) 양극재의 니켈·코발트·망간 비율을 조정해 배터리 성능과 원가를 최적화하는 것.

수소 연료전지

Hydrogen Fuel Cell

수소를 태우지 않고, 수소 분자가 촉매 표면에서 전자를 내놓으며 이온화되고 그 전자가 외부 회로를 흐르며 전기를 만든 뒤 반대편에서 산소와 만나 물이 되는 전기화학 반응을 이용하는 발전 장치. 연소 과정이 없어 이론 효율이 열기관보다 높고 부산물이 물뿐이라 친환경적.

ex) 수소차가 수소 탱크와 산소(공기)만으로 전기를 만들어 모터를 구동하는 원리.

태양광 소재

Photovoltaic Materials

반도체 PN접합에 태양광이 흡수되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 접합의 내장전위가 이 둘을 반대 방향으로 분리해 전류를 만들어내는 광전효과를 이용하는 소재. 실리콘이 주류지만 최근 페로브스카이트처럼 저비용·고효율 신소재가 활발히 연구됨.

ex) 지붕 위 태양광 패널이 낮 동안 햇빛을 받아 전기를 생산하는 원리.

차세대 전기화학 소자

Next-Gen Electrochemical Devices

기존 리튬이온전지의 액체 전해질을 불연성 고체로 바꿔 폭발 위험을 없애고 에너지 밀도를 더 높이려는 전고체전지, 충放전 속도가 매우 빠르지만 에너지 밀도는 낮은 슈퍼커패시터 등 기존 배터리의 한계(안전성, 충전속도, 수명)를 각각 다른 방식으로 넘어서려는 차세대 에너지 저장 소자들.

ex) 완충까지 수 분이면 충분하다는 전고체 배터리가 차세대 전기차 배터리로 주목받는 이유.

전기화학 임피던스 분광법

Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

배터리에 다양한 주파수의 교류 전압을 아주 작게 흘려보내며 전류 응답을 측정해, 전해질 저항·전극 표면 반응저항·이온 확산저항처럼 배터리 내부에서 서로 다른 물리적 과정마다 나타나는 저항 성분을 주파수별로 분리해내는 진단 기법. 배터리를 분해하지 않고도 어느 부분이 열화의 주된 원인인지 짚어낼 수 있어 배터리 수명 연구의 핵심 분석 도구.

ex) 전기차 배터리의 수명이 줄어드는 원인이 전극 열화 때문인지 전해질 열화 때문인지 비파괴적으로 진단하는 것.

전해질과 SEI 피막

Electrolytes & SEI (Solid Electrolyte Interphase) Layer

배터리 전해질은 리튬이온을 양극과 음극 사이로 이동시키는 매개체인데, 첫 충전 시 전해질 일부가 음극 표면에서 분해되며 얇지만 안정적인 보호막(SEI)을 형성함. 이 SEI 막이 이후 전해질이 계속 분해되는 것을 막아주는 동시에 리튬이온만 통과시켜, 배터리의 수명과 안전성을 좌우하는 핵심 계면.

ex) 배터리를 처음 충전할 때 일부 용량이 SEI 형성에 소모되어 이후 사이클보다 첫 충전 용량이 줄어드는 현상.

수전해와 그린수소

Water Electrolysis & Green Hydrogen

전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 수전해 기술로, 이때 사용하는 전기가 태양광·풍력 같은 재생에너지에서 나온 것이면 생산 전 과정에서 탄소를 배출하지 않는 그린수소가 됨. 촉매 전극 표면에서 물 분자가 산화·환원되는 반응 효율을 높이는 게 핵심 연구 과제로, 수소 연료전지와 정확히 반대 방향의 전기화학 반응.

ex) 풍력발전 전기로 물을 분해해 저장 가능한 그린수소를 만드는 에너지 저장 방식.