The low carbon eco-friendly hydrogen gas fueled vehicles are expected as a solution to the exhaustion of fossil fuel energy reserves and to the prevention of global warming. In order to become hydrogen energy driven society, the research on the production, storage, and application technology of hydrogen energy is most crucial. Nevertheless the suggested potential storage materials such as metal hydride materials, carbon nanostructures and porous materials exhibit the complications of prompt release of hydrogen, and the poor storages capacity of hydrogen less than ~3 wt % are far inferior to the required standard of 5.5 wt % set by the US Department of Energy (DOE) for practical use.
As energy storage for the electric drives of the future, a lithium-ion battery is another current isuue. When compared to the nickel-metal hydride technology that has been used to date, lithium-ion technology provides improved power density. Other benefits of lithium-ion batteries include high cycle durability and a longer lifetime, as well as extremely low self-discharge. These are the very reasons why lithium-ion cells are widespread in consumer electronics, and are already used in millions of laptops, mobile phones, and power tools.
This research is to propose materials that satisfy the low-cost and high-storage criteria of commercial hydrogen storage and to suggest screening factors in the computational screening process for obtaining promising additives.
저 탄소 친화적인 수소기체를 이용한 동력이 화석연료에너지의 고갈 및 지구 온난화의 대안으로 기대되고 있다. 환경과 경제적인 면에서 수소에너지에 대한 세계적인 관심과 시장의 동향은 미국, 일본, 유럽 및 다른 여러 개발도상국을 통틀어 수소에너지에 대한 연구를 가속화하고 시키고 있다. 수소 에너지의 연구는, 수소에너지의 생성, 저장, 기술적인 응용방안으로 나뉘어 진행된다. 금속산화물이나 탄소 나노튜브, 다공성 물질과 같은 다양한 저장 물질들이 수소저장 물질로 제안되었으나 이들의 수소저장효율은 약 3 wt %정도로 미국 에너지 기관 (DOE)이 실효성 기준으로 정한 5.5 wt %에 크게 못 미치고 있다.
우리는 다양한 수소저장 후보물질중에서 금속수소화물의 하나인 리튬나이트라이드의 가역적 반응에 대해 양자화학적 방법을 이용하여 분석하였다. 리튬나이트라이드는 2개의 수소를 흡착하고 방출할 수 있다. 이 가역적인 반응을 2개의 단계로 나누어 각 단계에서 수소가 방출되는 반응과정에 대해 연구하였고, 각 반응에서 실험으로는 발견하기 어려운 중간상태와 전이상태에 대한 정보를 얻을 수 있었다. 또한 밀도범함수 이론을 이용하여 다공성 구조를 가지고 있는 새로운 수소저장 물질을 제안하였다. 유기금속물질과 관련하여 유기 다공성 물질에 다양한 전이금속이 흡착된 경우 전이금속의 종류에 따라 수소 기체는 2-4 wt %이상 흡착될 수 있었다. 이 때 수소의 결합에너지는 약 0.4-0.9 eV로 이는 실온에서 수소를 저장하고 방출하는데 적합한 정도의 에너지 크기이다. 탄소뿐만 아니라 실리콘을 이용한 다공성 물질의 경우 알칼리금속이 흡착된 실리콘 물질이 금속이 흡착되지 않은 실리콘 물질에 비해 수소저장 효율이 상당히 높은 비율로 증가하는 것을 살펴볼 수 있었다.
미래 사회에서 전기자동차용 에너지 저장매체로 사용될 것이라 기대되는 리튬 이차전지 또한 중요한 연구 주제이다. 기존에 사용되었던 니켈??금속전지와 비교할 때 리튬 이차전지는 동일한 부피내에 가장 많은 에너지를 저장할 수 있다. 또한 자가 방전률이 매우 낮고, 상대적으로 긴 수명을 가지는 장점이 있다. 이러한 장점을 가지는 리튬이온 이차전지는 휴대폰이나 노트북등 전자 기기에 사용되는 휴대용 전지로써 뿐만 아니라 재생에너지를 저장하거나 미래형 자동차용 전지로 사용될 것으로 기대되고 있다.
리튬이온 이차전지는 양극재, 음극재, 분리막, 그리고 전해질을 포함한 4개의 소재로 구성되어 있고 전해질의 경우 용액과 염 그리고 첨가제로 이루어져 있다. 첨가제는 과충전 방지, 충방전 사이클의 효율성 증가와 같은 다양한 목적에 따라 사용된다. 우리는 목적에 적합한 첨가제들을 선별할 수 있는 기준을 제안하고자 이미 잘 알려진 첨가제들의 특성을 연구해 보았다. 결과적으로 리튬이온과 첨가제 간의 결합에너지는 이러한 선별기준으로 적합할 것이라 기대된다.
