에너지 관련 문제를 창의적으로 해결하는 전해질 연구
University of Chicago(시카고 대학교)의 Amanchukwu 그룹은 TA Instruments와 Waters 의 기술을 이용하여 배터리와 전기촉매의 첨단 응용 기술을 위한 전해질 매체의 설계와 합성에서 새로운 지평을 열었습니다.
기술: Waters™ TA Instruments™ Q500 열중량 분석(Thermo Gravimetric Analysis), Q2000 시차주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter), 디스커버리 하이브리드 레오미터 (Discovery Hybrid Rheometer, DHR), TAM IV 열량계(Calorimeter)
시카고 대학교의 전해질 연구
University of Chicago(시카고 대학교) Pritzker 분자공학부(Pritzker School of Molecular Engineering) Amanchukwu 실험실은 에너지 관련 문제, 특히 에너지의 보관과 전기촉매에 대한 문제를 창의적으로 해결하기 위해 연구하고 있습니다. 이 그룹은 새로운 고체 및 액체 전해질 매체의 설계와 합성, 배터리와 전기촉매의 전해질 불안정성 및 이온 이송 현상 연구에 초점을 두고 있습니다.
에너지 보관 및 전기촉매 장치에서 전해질은 이온 및 분자 이송을 뒷받침하는 필수적인 구성요소입니다. 화학에서 차용한 개념과 생물학에서 가져온 도구들을 이용하여 이 연구소의 과학자들은 전극:전해질 계면의 계면형상을 제어하고 열화 메커니즘을 파악하는 것을 목표로 합니다. 이 팀은 핵자기 공명(NMR) 및 분자 동역학(MD)을 이용하여 이온 이송 거동과 이온 용매화 환경을 각각 연구합니다. Amanchukwu 그룹은 또한 미국 에너지부 (U.S. Department of Energy) 여러 학문 분야에 걸친 과학 및 공학 연구 센터인 Argonne National Laboratory (Argonne 국립 연구소) 와 협력하여 에너지 장치를 in situ 및 operando로 이해하는 고급 특성화 도구를 이용하고자 합니다.
Waters Corporation의 자회사인 TA Instruments 기기를 이용하여 Amanchukwu 연구소는 배터리와 전기촉매의 첨단 응용 기술을 위한 전해질 매체의 설계와 합성에서 새로운 지평을 열고 있습니다.
Dr. Amanchukwu와 그의 팀은 차세대 배터리에 이용될 수 있는 새로운 저분자, 고분자, 하이브리드 고체 전해질 합성의 영역을 넓히고 있습니다.
WATERS와의 협력
다른 연구자들이 여러 응용분야에서 열분석과 유변학, 미세 열량 측정을 어떻게 이용하는지 알아본 후 Amanchukwu 실험실의 책임 연구원이자 시카고 대학교의 조교수인 Chibueze Amanchukwu는 그 기술을 새로운 전해질 매체의 설계와 합성에 어떻게 적용할 수 있는지 연구하였습니다.
Dr. Amanchukwu는 다른 공급업체들을 살펴봤지만 TA Instruments와 Waters 만이 자신의 팀의 목표 달성에 필요한 과학적 계측 전문성을 가지고 있음을 갖고 있었습니다.
그는 이렇게 설명하였습니다: “저희는 전혀 새로운 응용분야에서 이 기술을 이용합니다. 시중에 있는 다른 기기들은 적합하지 않았습니다. 다행스럽게도 TA Instruments와 Waters 는 많은 경험을 갖고 있기 때문에 저희를 도와줄 방법을 알고 있었습니다. 저희는 TA Instruments와 Waters 팀과 여러 차례 회의를 하고 이메일을 주고받았으며 그들은 저희를 도와줄 수 있었습니다. 또한 문제가 있으면 그것을 전달하였으며, 해결책을 아주 빠르게 전해주었습니다.”
현재 전해질 연구의 많은 부분은 섞어보고 효과가 있는지 확인하는 “서부 개척”식 접근법이라고 할 수 있습니다. 저희는 이 과정을 보다 과학적으로 만들고자 합니다. 저희는 전해질 속성을 분석하는데 무엇이 필요한지 파악하고, 속성 변화를 통해 배터리에 특정 영향을 미치는 목적을 갖고 전해질을 설계합니다.
– Dr. Chibueze Amanchukwu
Amanchukwu 실험실의 책임 연구원 겸 시카고 대학교의 조교수
차세대 배터리의 설계
에너지 밀집도가 높고 컴팩트한 배터리는 운송수단의 전장화 및 에너지 그리드의 재생에너지 통합과 큰 관련이 있습니다. 충전식 리튬-이온(Li-Ion) 배터리는 높은 에너지 밀집도 덕분에 현재 선택을 받고 있는 배터리입니다. 하지만 에너지 밀집도와 비용은 장거리 전기차 및 새로운 전자장비, 탄소 발자국 감소에 대한 끝없는 요구를 맞추기에 아직은 부족합니다.
많은 전해질에서 일반적으로 높은 이온 전도성과 부족한 전기화학적 안정성이 관찰되기 때문에 많은 차세대 배터리가 전해질 선택에는 제한이 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 시카고 대학교의 Amanchukwu 연구소는 차세대 배터리의 합리적인 설계에 필요한 높은 이온 전도성과 높은 전기화학적 안정성을 갖춘 새 분자의 설계를 연구하고 있습니다.1 이 연구소의
연구는 다음과 같은 주제에 초점을 두고 있습니다:
- 새로운 전해질 합성
- 전극/전해질 계면 특성화
- 높은 에너지 밀집도 배터리
- 선택적이고 효율적인 전기촉매
시카고 대학교에서 새로 임명된 조교수인 Dr. Amanchukwu는 차세대 배터리(리튬 금속, 고체 배터리, 및 다원자)에 통합될 수 있고 이산화탄소(CO2) 전기환원에 이용될 수 있는 새로운 저분자, 고분자, 하이브리드 고체 전해질 합성의 영역을 넓히고 있습니다2
이 연구소는 벌크 전해질 구조 (예: 용매화)와 전극/전해질 계면에서 발생하는 전기화학 반응(바람직한 반응과 그렇지 않은 반응)의 관계를 찾기 위해 노력하고 있습니다. 전기촉매 매체의 용매화 효과를 이해하고 제어하기 위해 Dr. Amanchukwu는 또한 CO2를 귀중한 결과물로 전환하기 위한 고도로 선별적이고 효율적인 전기화학 반응기 설계의 최전선에 나섰습니다. 그는 이 연구의 영향을 다음과 같이 설명합니다:
“전해질은 배터리에서 잊혀진 경향이 있습니다. 이상적인 전해질은 이온을 이리저리 움직일 수 있도록 해야 합니다. 하지만 실제 시스템에서는 배터리가 작동하지 않거나 오래 가지 못하는 주원인이 되는 경우가 많습니다. 이 부분은 잘 파악되지 않았습니다. 저희는 전해질 설계를 보다 과학적으로 만들고자 합니다. 저희는 분자 설계 전략을 이용하여 전해질을 개발하고 배터리 셀에서 무엇을 하는지 예측하고자 합니다.”
그러한 예측에는 많은 배터리 화학에서 전기화학적 성능 저하의 주된 원인이 되는 바람직하지 않은parasitic reaction을 줄이는 것이 포함될 것입니다.
TAM IV 미세 열량계 시스템을 이용하여 전해질의 일반 열 신호, 정량적 열역학 및 동적 거동을 측정합니다.
Amanchukwu 연구소는 벌크 전해질 구조와 전극/전해질 계면에서 발생하는 전기화학 반응의 관계를 찾기 위해 노력하고 있습니다.
Dr. Amanchukwu는 다음과 같이 설명합니다: “전해질이 안정적이지 않은 경우에는 배터리 전극과 접촉했을 때 이러한 바람직하지 않은 반응(parasitic reaction)이 발생하는 경우가 많습니다. 따라서 이들은 본질적으로 연결되어 있습니다. 좋은 전해질의 정의에는 이러한 용량감소 반응을 얼마나 잘 방지하는가가 포함됩니다.”
Dr. Amanchukwu는 새로 설계된 전해질이 이온 이송 및 전기화학적 열화에 대한 이해도 향상과 결합하여 높은 에너지 밀집도와 긴 수명 주기를 가진 배터리 제조를 가능하게 할 것이라 생각합니다. 이는 에너지 밀집도가 높고 컴팩트한 미래 배터리 제조 품질 및 배터리 사용 방식에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 그는 이렇게 설명하였습니다:
“저는 차세대 배터리가 50 퍼센트 이상 개선될 수 있다고 생각합니다. 이에 따라 훨씬 많은 응용 분야가 열릴 것입니다. 예를 들어 이러한 개선 수준을 통해 일반 대중이 전기차를 더 호의적으로 받아들일 수 있습니다. 또한 지금은 예상할 수 없는 많은 용도로 이 배터리들이 이용될 수 있습니다.”
이러한 큰 목표를 달성하기 위해 Amanchukwu 연구소는 10년, 20년 전에는 상상할 수 없었던 새로운 응용분야, 바로 제약 분야에서 힌트를 얻고 있습니다.
“TAM IV 미소 열량 측정 시스템을 이용한 연구는 상당히 즐겁습니다. 다른 기기는 이 연구에 필요한 열 흐름 감도를 갖고 있지 않습니다. 저희는 미세 열량 측정을 이용하여 많은 정보를 얻을 수 있으며 아주 쉽게 사용할 수 있다는 점을 알게 되었습니다. 게다가 다른 기술과 결합한다면 우리 연구에 더 큰 통찰을 제공해줍니다. 다른 장점으로는 사용하기 쉽다는 점이 있습니다. 최소한의 교육만 받았거나 교육을 전혀 받지 않았더라도 사용자가 기기를 쉽고 빠르게 이해할 수 있습니다.”
– Dr. Chibueze Amanchukwu
Amanchukwu 실험실의 책임 연구원 겸 시카고 대학교의 조교수
생물학에서 받은 영감
모든 화학 및 생물학적 과정은 열 생산 또는 열 소비와 관련이 있습니다. Dr. Amanchukwu는 제약 산업이 화학 과정에서 열 방출이나 열 흡수를 측정하기 위해 기술(여기서는 미세 열량 측정)을 이용하는 방식으로부터 자신의 연구에 대한 영감을 받았습니다.
이는 동일한 계측 방법을 이용하여 여러 배터리 화학에서 전해질이 어떻게 접점을 형성하는지 이해하는 아이디어를 촉발했습니다. 여러 도구 중에서 Amanchukwu 연구소는 동역학 및 열역학적 정량화를 위해 미소 열량 측정을 이용하고 화학적 특이성에서는 NMR (고체 및 용액 상태)를 이용합니다. 3
Dr. Amanchukwu는 다음과 같이 설명합니다: “제약 및 신약개발 분야에서는 이미 이 기술을 이용하여 단백질이나 약물 결합 반응을 측정하거나 셀 거동에서 방출된 열을 측정합니다. 따라서 저는 우리가 같은 방법을 이용할 수 있을까 궁금해졌습니다. 화학적 과정은 용도가 배터리인지 재료 과학인지의 여부를 가리지 않습니다. 결합 반응은 보편적인 것이기 때문입니다. 저희는 다른 산업 분야를 적극적으로 살펴보고 무엇이 질문에 대한 답을 찾도록 도와주는지 알아보며, 같은 도구를 이용하여 저희가 배터리, 전해질, 재료 과학에서 비슷한 질문에 대한 답을 찾을 수 있는지 확인해보고 있습니다.”
Amanchukwu 연구실의 과학자들은 Waters와 함께 TA Instruments TAM IV 미소 열량 측정 시스템을 이용하여 일반 열 신호를 측정하고 전해질의 정량적 열역학 및 동역학 거동을 측정합니다. TAM IV의 열 흐름 감도와 장기 온도 안정성을 통해 Dr. Amanchukwu와 그의 팀은 다른 기술로는 감지할 수 없었던 많은 과정을 측정할 수 있게 되었습니다.
다른 기술로는 라만 분광법, 적외선 분광법, 질량 분광법이 있으며 모두 Waters에서 지원하는 기술입니다. Dr. Amanchukwu는 특히 TA Instruments와 Waters 기술의 새로운 조합을 시험하는데 관심을 갖고 있으며 본인 팀의 최첨단 전해질 연구를 위한 가능성을 보고 있습니다. 그는 이렇게 설명하였습니다:
“미세 열량 분석은 정량적인 이해를 제공해준다는 점에서 대단합니다. 또한 이 기술을 두 기능 그룹의 상호작용이 우리가 열량 측정에서 확인한 열의 방출 또는 열의 흡수의 원인이 되는지 알아볼 수 있는 분광 기술과 결합할 수도 있습니다. 이러한 다중 형식 접근법을 통해 우리는 두 분야가 주는 혜택을 누릴 수 있습니다.”
또한 Dr. Amanchukwu는 전해질 속성의 빠른 선별을 위해 전개할 수 있는, 주로 생물학 기반 연구에 이용되는 고속 선별 도구의 잠재성도 살펴보고 있습니다. 그는 현재의 예산 제약이 없다면 제약과 생명과학 분야의 Waters 고객들이 이용하고 있는 이 발전된 기술이 전해질 연구에 큰 영향을 미칠 수 있다고 생각합니다.
“저희는 대학교의 다른 과에서 기기를 이용할 수 있어서 큰 도움이 됩니다. 성장하는 연구소로서 저희는 큰 야심을 갖고 있으며 Waters 질량 분광계를 자체 보유하여 실험에 발전된 선별 기능을 추가할 수 있기를 바랍니다. 이 선별 접근법은 제약업에서 이용되는 것이며 원리는 같습니다. 관심 대상 질병을 치료하는 약물을 발견하고자 한다면, 조 단위의 분자를 시험해볼 수 있습니다. 어떻게 하면 이 작업을 현실성 있게 접근할 수 있을까요? 저희가 배터리에서 직면한 과제도 이와 마찬가지입니다.”
– Dr. Chibueze Amanchukwu
Amanchukwu 실험실의 책임 연구원 겸 시카고 대학교의 조교수
데이터 과학
Dr. Amanchukwu와 그의 팀은 또한 차세대 배터리의 전해질 화합물에 대한 새로운 아이디어를 찾고 CO2 전기촉매의 새로운 용매화 거동을 조사하기 위해 인공지능(AI) 및 머신 러닝(ML) 도구의 잠재성을 살펴보고 있습니다.
이 팀은 데이터 과학 및 컴퓨터 전문가들과 협력하여 자연어 처리(NLP) 도구를 활용하여 실험적으로 측정된 전해질 특성 데이터베이스를 개발하고자 합니다. 이어서 ML 모델을 이용하여 이용 가능한 전해질 특성(예: 분자구조) 및 전도성과 안정성 등의 속성의 상관관계를 찾을 수 있습니다.4
Dr. Amanchukwu는 다음과 같이 설명합니다:
“저희가 지금 하고 있는 방식은 수동적입니다. 따라서 저희는 데이터 과학이 이 연구에 미치는 영향에 관심을 갖고 있습니다. 수십년 동안 전해질 연구를 하더라도 성공을 하지 못할 수 있습니다. 반대로 데이터 과학 접근법을 이용하여 실험실에서 연구를 할만한 가능성을 가진 것으로 범위를 좁히는 데이터 과학 접근법을 이용할 수 있을 것입니다.”
Dr. Amanchukwu는 제약 산업이 화학 과정에서 열 방출이나 열 흡수를 측정하기 위해 미소 열량 측정을 이용하는 방식으로부터 자신의 연구에 대한 영감을 받았습니다.
그림 1. 데이터 과학은 열 프로필을 보다 잘 이해하면서 배터리 화학에서 전해질의 거동에 대한 예측적 지식을 얻는데 이용될 수 있습니다.
“저희는 밀리그램 단위로 이 전해질을 만들 수 있습니다. 그렇다면 그램이나 킬로그램 단위로 만들 수 있을까요? 저희 연구에서 재미있는 부분은 기업들과 대화하여 우리가 만드는 화합물에 관심을 갖도록 하는 것입니다. 저희가 화합물이 제 기능을 하고 유용하다는 것을 보여주면, 기업들은 규모를 확대하여 제조 공정에 이용할 수 있습니다.”
– Dr. Chibueze Amanchukwu
Amanchukwu 실험실의 책임 연구원 겸 시카고 대학교의 조교수
실제 응용
에너지 밀집도가 높은 컴팩트한 배터리의 잠재성은 다른 이들의 관심, 특히 기후변화에 관련된 사회적 문제를 해결하기 위한 관심을 받았습니다. Amanchukwu 연구소의 연구는 차세대 배터리의 설계에 큰 의미를 갖고 있습니다. 이 그룹은 Argonne National Laboratory(Argonne 국립 연구소)와 협력하여 민간 기업이 배터리 제조를 위해 규모를 확대할 수 있는 시범적인 규모로 전해질 용매를 만들고자 합니다.
이러한 Amanchukwu 연구실 연구의 실제 응용은 광범위합니다. 그리고 이 그룹은 University of Chicago의 Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation (Polsky 기업가정신 및 혁신 센터)와 함께 연구 결과 개발에 관심을 가진 기업들을 찾을 계획입니다.
“저희는 Polsky 센터와 함께 저희가 개발한 새로운 화합물에 대한 사업을 진행합니다. 제가 전해질 연구에서 좋아하는 점 중 하나는 학술에서 상업적 영역으로 실제 전환이 가능하다는 것입니다. 액체 전해질의 경우, 기업이 현재 배터리에 이용하고 있는 액체를 저희가 만든 새로운 액체 전해질로 교체하면 되기 때문에 제조 기능을 변경할 필요가 없습니다.”
– Dr. Chibueze Amanchukwu
Amanchukwu 실험실의 책임 연구원 겸 시카고 대학교의 조교수
다음 단계
새로 세워진 연구소에서 Amanchukwu 그룹은 연구의 장기적 잠재성을 살펴보고 있습니다. Dr. Amanchukwu는 5년 정도 후에 연구소가 새로운 전해질 설계 전략을 통해 차세대 에너지 밀집 배터리 개발 목표를 달성할 것이라 생각합니다. 그는 또한 시험 전에 전해질의 거동을 예측하고 화합물의 거동에 대한 통찰을 얻는 방법론을 개발하고자 합니다. 그는 한 가지 가능성에 대해 설명합니다:5
“저희 아이디어 중 하나는 모듈형으로 새로운 전해질 화합물을 만드는 것입니다. 따라서 세 가지 구성요소를 만들었다면, 그 구성요소들을 화학적 요구에 따라 서로 바꿀 수 있게 됩니다. 이러한 모듈형 접근법은 광범위한 재료를 연구할 수 있도록 하는 한편 즉시 변형이 가능하다는 점에서 기대가 됩니다. 새로운 배터리 화학이 만들어지고 특정 기능이 필요하다는 사실을 파악하면, 구성요소들을 배치하고 서로 연결되는 방식을 변경함으로써 새로운 분자 설계를 혼합하여 만들어낼 수 있습니다.”
하지만 더 큰 그림은 Amanchukwu 연구소의 최신 연구가 에너지의 생산과 전달, 소비에 미칠 영향에 있습니다. 예를 들어 배터리 수명의 개선은 기후 변화와 사회적 영향 및 천연 자원에 큰 영향을 줄 것입니다. 이는 보건과 인프라, 교통 시스템, 그리고 에너지 공급의 개선으로 이어질 수 있습니다.
“공학적 관점은 분명히 저희 프로젝트를 설계하는 요소에 해당합니다. 또한 저희는 범위를 넓혀 사회적 과제를 해결할 수 있다는 점도 염두에 두고자 합니다. 결국 우리는 에너지에 관련된 과제를 창의적으로 해결하여 기후 변화에 관련된 문제들을 해결하고자 합니다.”
– Dr. Chibueze Amanchukwu
Amanchukwu 실험실의 책임 연구원 겸 시카고 대학교의 조교수
참고자료
- Amanchukwu, C.V.; Yu, Z.; Kong, X.; Qin, J.; Cui, Y.; Bao, Z. A New Class of Ionically Conducting Fluorinated Ether Electrolytes with High Electrochemical Stability. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16, 7393–7403.
- Yu, Z.; Wang, H.; Kong, X. et al. Molecular Design for Electrolyte Solvents Enabling Energy-dense and Long-cycling Lithium metal Batteries. Nat. Energy. 2020, 5, 526–533. https://doi.org/10.1038/s41560-020-0634-5.
- Gunnarsdóttir, A.B.; Amanchukwu, C.V.; Menkin, S.; Grey, C.P. Noninvasive In Situ NMR Study of “Dead Lithium” Formation and Lithium Corrosion in Full-Cell Lithium Metal Batteries. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 49, 20814–20827.
- Amanchukwu, C.V. The Electrolyte Frontier: A Manifesto. Joule, 2020, 4, 1–5.
- Ma, P.; Mirmira, P.; Amanchukwu, C.V. Effect of Building Block Connectivity and Ion Solvation on Electrochemical Stability and Ionic Conductivity in Novel Fluoroether Electrolytes. ACS Central Science 2021 7 (7), 1232–1244.