연구목표

○ 본 과제는 전기에너지 저장(배터리), 전력-화학에너지 전환(음이온교환막(AEM) 수전해 기반 그린수소), 그리고 기존 인프라와 호환 가능한 탄소중립 연료(SAF)로 이어지는 다층적 에너지 저장·전환 기술 체계를 통합적으로 이해하고 설계할 수 있는 글로벌 고급 인재를 양성하는 것을 최종 목표로 함. ○ 구체적으로 글로벌 선도기관과 다음과 같은 공동연구를 통해 고급 인재를 양성하고자 함. - 계면 전기화학 기반 수전해 시스템의 반응？수송 메커니즘을 정량적으로 규명하고, - 폐플라스틱 기반 SAF 전환 공정의 반응？공정 통합 설계 체계를 확립하며, - 리튬 금속 전지 고에너지밀도 전극 구조를 설계·검증하는 통합 연구를 수행함. ○ 궁극적으로, 저장？전환？연료 생산을 연결하는 탄소중립 에너지 전환 전주기를 이해하고 설계할 수 있는 글로벌 연구 리더형 박사급 인재를 배출하는 것을 목표로 함.

연구범위

1. AEM 수전해(울산과학기술원-UC Berkeley) ○ 순수 물 기반 이오노머 센싱 플랫폼 구축 및 EDL 거동 규명 - 제로갭 모사 모델 기반 고정 전하-자유 전하 전기이중층 형성 메커니즘 분석 - 양극/음극 캐패시턴스 분리 정량화 ○ 3전극 전압 분리-국부 pH 결합형 Operando 진단 기술 확립 - 막-촉매층 계면 전압 손실 성분(Ohmic, Kinetic, CLR, Residual) 분해 - 국부 OH- 농도 구배 직접 계측을 통한 반응-수송 불균형 메커니즘 규명 ○ 실제 해수 기반 다가 양이온 유도 계면 열화 메커니즘 규명 - 모의 해수-실제 해수 성능 간극의 원인 분석 - Ca2+ 등 다가 양이온에 의한 EDL 교란 및 전하 전달 저해 현상 실증 - AEMWE/BPMWE 확장 적용 가능한 계면 제어 전략 도출 2. 폐플라스틱 기반 SAF 전환 (울산과학기술원？NLR(구NREL)) ○ 복합 oxygenates 기반 선택적 HDO 반응 설계 체계 확립 - 혼합 폐플라스틱 유래 복합 oxygenates의 기능기 분포 및 탄소수 범위 정의 - 탈산소·과수소화·탄소 손실 경로의 상대적 기여도 정량화 - C8？C16 jet-range 탄화수소 수율 체계적 매핑 ○ 수소 소비？탄소 유지율 기반 반응-공정 통합 설계 - 반응 조건에 따른 수소 소비량 및 탄소 유지율 상관관계 도출 - 산화 단계？HDO 단계 질량수지 기반 통합 설계 구조 확립 - 고수율·고탄소 회수율 조건 도출을 통한 SAF 생산 설계 논리 구체화 ○ 파일럿 확장 및 지속가능성 통합 분석 체계 구축 - 파일럿 조건에서의 반응 거동 차이 분석 및 확장 가능성 검증 - TEA·LCA 기반 생산 단가 및 전주기 온실가스 배출량 정량 평가 - CORSIA 요건 충족 가능성 검토 및 공정-지속가능성 연계 전략 수립 3. 리튬 금속 전지 고에너지밀도 전극 설계 (건국대-UC San Diego) ○ Spray drying 기반 고탭밀도 양극재 설계 및 구조 제어 - 500 nm？1 μm 1차 입자 제어 및 구형 2차 집합체 형성 - 탭밀도 향상 및 전극 충전성 개선 - 내부 기공 구조 조절을 통한 Li+ 확산 경로 확보 ○ 고로딩·고밀도 전극 구조 구현 전략 확립 - 매스로딩 10-15 → 15-20 → 20 mg/cm² 이상 단계적 확장 - 전극 밀도 3.0 g/cm³ 이상 확보 및 3.5 g/cm³ 고도화 - 후막 전극 조건에서 분극 최소화 및 면적당 용량 증가 검증 ○ 소재？전극？셀 통합 검증 및 에너지밀도 실증 - 코인셀 기준 ≥180 mAh/g, 초기 효율 ≥88%, 100 cycle ≥80% 유지율 검증 - 파우치셀 확장을 통한 250 Wh/kg 및 1,200 Wh/L 목표 검증 - 리튬 금속 적용 조건에서 장주기 열화 거동 분석 및 설계 최적화

기대효과

[연구개발성과의 활용방안 및 기대효과]16) ○ 본 과제의 연구성과는 배터리-수전해-지속가능연료를 연결하는 다층적 에너지 저장·전환 기술의 핵심 병목 문제(계면 반응 동역학, 반응？공정 통합 설계, 고에너지밀도 전극 구조 설계)를 해결하는 기초·응용 통합 성과로 활용 가능함. ○ AEM 수전해 분야에서는 순수 물 기반 전기이중층 거동 규명 및 실제 해수 환경에서의 다가 양이온 유도 열화 메커니즘을 정량적으로 제시함으로써, 고내구 AEMWE/BPMWE 시스템 설계 지침으로 활용 가능함. 이는 해수 기반 수전해 및 분산형 수소 생산 기술 상용화의 핵심 과학적 근거를 제공함. ○ 폐플라스틱 기반 SAF 전환 분야에서는 복합 oxygenates 기반 선택적 HDO 설계 체계와 수소 소비, 탄소 유지율 통합 설계 논리를 확립함으로써, 기존 정유·항공 인프라와 호환 가능한 탄소중립 연료 생산 기술의 실증 및 확장 기반을 제공함. TEA·LCA 분석을 통해 CORSIA 대응 가능성을 검토함으로써 산업 적용성을 제고함. ○ 리튬 금속 전지 분야에서는 Spray drying 기반 고탭밀도·고로딩 전극 설계를 통해 셀 수준 에너지밀도 향상 전략을 제시하며, 차세대 고에너지밀도 전지 기술 확보에 기여함. 이는 전기차 및 대형 에너지 저장 시스템의 성능 향상에 직접적으로 활용 가능함. ○ 궁극적으로 본 과제는 저장？전환？연료 생산을 연결하는 통합 에너지 전환 체계의 기술적 기반을 제시함과 동시에, 국제 공동연구 경험과 고급 분석 역량을 갖춘 글로벌 박사급 인재를 배출함으로써 국내 에너지 신산업 경쟁력 강화에 기여함.

자료실

본 다층 에너지 저장·전환 관련 신산업글로벌 인력 양성 저작물은 공공누리 "제2유형 출처표시+상업적이용금지" 조건에 따라 이용할 수 있습니다.