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“폭발위험 없고 고용량‧고출력까지”
레독스전지 성능 혁신할 전해질 개발
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지스트 유승준‧홍석원 교수팀, 유기분자가 에너지저장원인 기능성 전해질 개발
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용해도 6배 이상 높 고용량 레독스전지 실현…「ACS 에너지 레터스」 게재
□ 오늘날 에너지저장시스템(ESS)*에 널리 쓰이는 리튬이온전지는 수명이 
짧고 배터리 과열로 인한 폭발위험이 있어, 다양한 소재의 전지가 연구
되고 있다. 상대적으로 저렴하고 수명이 긴데다가 폭발위험이 낮은 
‘레독스 전지’도 그 중 하나다.
 ∘ 레독스(redox)는 환원(reduction)과 산화(oxidation)의 합성어로, 레독스 
전지는 전해액 내의 활성물질*이 ‘산화-환원’ 작용을 일으키며 전기
를 전해액의 화학적 에너지로 저장하고 방출하는 전지를 말한다. 수계
(물) 전해질을 이용하므로 배터리 과열로 인한 화재를 원천적으로 차단
할 수 있다.
  * 에너지저장시스템(Energy Starage System): 태양광과 풍력 등으로 생산한 전기를 대용량
으로 저장했다가 필요할 때 내보내는 장치로, 신재생에너지 확대에 필수적인 설비다.
  * 활성물질(Active material): 전지 방전 시 화학적 반응으로 전기에너지를 생산하는 물질
□ 지스트(광주과학기술원, 총장직무대행 박래길) 유승준 교수와 홍석원 교
수 공동연구팀은 레독스 활성 유기분자*의 성능을 크게 향상시키는 전
지스트(광주과학기술원) 보도자료
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2023.05.16.(화)
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홍보팀장 임성훈 기획부장 겸무
062-715-2970
홍보팀 김소영 행정원
062-715-2062
자료 문의
신소재공학부 유승준 교수
062-715-2339
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해질을 개발해 고용량‧고출력의 레독스 전지를 구현하는데 성공했다.
 ∘ 고출력이 가능한 슈퍼커패시터* 2차전지 ‘산화-환원’의 에너지 
저장‧방출 메커니즘 해 용량을 극대화한 하이브리드 전지다.
  * 레독스 활성 유기분자: 다양한 합성법과 분자 구조 디자인을 통해 용해도나 전기화학적 
레독스 전위를 조절할 수 있어, 높은 에너지 저장이 가능한 활성물질이다.
  * 슈퍼커패시터: 에너지를 저장한 뒤 필요할 때 순간적으로 고출력으로 전기를 공급하는 에
너지저장장치로, 에너지 저장력은 낮지만 순간 출력능력은 강하다. 
□ 연구팀이 만든 ‘하이드로트로프 지지전해질’*을 이용하면 레독스 전
지에 사용되는 유기분자의 용해도가 기존보다 6배 수준으로 대폭 향상
되어 고용량 레독스 전지 개발이 가능해진다.
 ∘ 레독스 전지와 같은 전기화학 기반 ESS의 에너지 용량을 높이려면 
농도의 활성물질이 전해액에 용해될 수 있어야 한다. 그러나 활성물질 
자체의 용해도가 거나, 이온전도도를 높이려고 지지전해질을 추가하
면 용해도가 저하는 문제점이 있었다.
 ∘ 연구팀은 물 분자와 쉽게 결합하지 않는 물질을 물에 잘 녹게 하는 
하이드로트로프’ 개념에 착안해, 하이드로트로프 구조를 가지면서 지
지전해질로 작용하는 분자를 개발했다. 이 지지전해질 활성물질의 용
해도와 이온전도도를 동시에 향상킬 수 있게 됐다.
  * 하이드로트로프(Hydrotrope): 물과 기름에 모두 친화적인 ‘양친성’을 가지는 저분자량 물질
로, 기존의 계면활성제와는 달리 비정형의 나노구조를 통해 물에 잘 녹지 않는 물질의 수
계 용해도를 향상시키는 것으로 알려진 분자구조를 총칭한다.
  * 지지전해질(Supporting eletrolyte): 전기화학 기반 전지 등에서 용액의 저항을 낮출 목적
으로 용해하는 전해질
□ 또, 연구팀은 이 지지전해질에 최적화된 레독스 활성 유기분자를 고안해 
고농도의 전해액에서도 전지가 안정적으로 작동하게 했다.
 ∘ 고농도(0.5Mol/L) 전해액에서도 활성 유기분자는 안정적으로 작동했다. 
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현재까지 개발된 퀴논류(quinone) 기반 레독스 전지 중 최고 농도다.
□ 특히 연구팀은 관련 분야에서는 최초로 핵 오버하우저 효과*를 이용하
는 핵자기공명 측정법을 도입해 하이드로트로프 전해질이 레독스 활성
물질의 용해도를 높이는 물리화학적 원리를 규명했다. 하이로트로프
의 작용 메커니즘이 활성물질의 구조에 따라 다르게 일어나고 있음을 
확인했으며 각 메커니즘에 최적화된 분자구조의 가이드라인을 제시했다.
  * 분자간 핵 오버하우저 (Intermolecular nuclear overhauser) 효과: 서로 다른 분자에 존재
하는 수소원자 간의 핵스핀 전달을 이용하여, 각 분자내 수소 원자 간의 거리를 측정하는 
방법이다.
□ 신소재공학부 유승준 교수는 “이번 연구성과로 레독스 활성 유기분자 
고질적인 한계인 낮은 용해도를 향상할 수 있게 되어, 고용량‧고출력 
레독스 전지 개발뿐 아니라 다양한 분자구조의 에너지저장원 개발에도 
성과가 있을 것으로 기대된다며, “향후 액체를 에너지저장원으로 사
용하는 장점을 활용하면 ESS 대형화와 같은 응용기술 개발 도움이 
될 것다”고 말했다.
□ 이번 연구는 신소재공학부 유승준 교수가 주도하고 화학과 홍석원 교수
가 공동 교신저자로 참여했으며 변진환 박사과정생, 고진혁 석사과정생
이 공동 제1저자로 수행했다. 과학기술정보통신부‧한국연구재단의 개인
기초연구 사업의 지원을 받았으며, 전기화학 및 에너지 분야의 국제 저
명 학술지인 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에 4월 21일 게재
됐다.   <끝>
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사 진 설 명
[사진] (왼쪽부터) 신소재공학부 유승준 교수, 고진혁 석사과정생, 
화학과 홍석원 교수, 변진환 박사과정생
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그 림 설 명
 
[그림1] 하이드로트로프 지지전해질 (HSE) 분자구조와 각 구조의 기능 및 본 연구에서 
사용된 HSE의 종류. 
[그림2] a. 새로이 개발된 HSE에 최적화된 전기화학활성 (레독스 활성) 유기물 분자 
2-[N,N,N-tris(2-hydroxyethyl)]anthracenemethanaminum-9,10-dione bromide 
(AQM-Br)
b. AQM-Br의 각 HSE 용액에서의 농도별 용해도 변화 그래프. p-TsOH 
전해질 사용시 급격히 향상되는 용해도를 확인할 수 있음. 
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[그림3] a. 분자 간 핵 오버하우저 효과 측정 개념도 및 실제 획득된 스펙트럼
b. 시간에 따른 핵 오버하우저 스펙트럼의 세기변화
c. AQM-Br 내 각 수소의 핵 오버하우저 효과 세기 분포도 및 
하이드로트로프와의 간접적인 거리. 
[그림4] AQM-Br을 이용한 레독스 슈퍼커패시터 성능 분석. 
a. 순환 전압법으로 측정한 AQM-Br 의 전기화학적 안정성 측정 
b. 전류세기에 따른 슈퍼커패시터의 충방전 성능 측정 
c. 10,000회의 충방전 동안 성능이 안정적으로 유지됨을 확인함 
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논문의 주요 정보
1. 논문명, 저자정보 
 - 저널명 : ACS Energy Letters (IF = 23.991; 2023년 기준)
 - 논문명 : Solubility-Enhancing Hydrotrope Electrolyte with Tailor-Made Organic 
Redox-Active Species for Redox-Enhanced Electrochemical Capacitors
 - 저자 정보 : 유승준 교수(대표 교신저자, 신소재공학부), 홍석원 교수(공동 
교신저자, 화학과), 변진환 박사과정생(공동 제1저자, 화학과), 
고진혁 석사과정생(공동 제1저자, 신소재공학부)  
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유승준 교수[교신저자] 이력사항
1. 인적사항                                          
 ○ 소 속 : 지스트 신소재공학부                    
 ○ 전 화 : 062-715-2339
 ○ e-mail : sjoonyoo@gist.ac.kr
2. 학력
 ○ 1996 - 2000 : 고려대학교 학사
 ○ 2008 - 2014 : Ph.D, University of California, Santa Barbara
3. 경력사항
 ○ 2015 - 2019 : 박사후연구원, University of California, Santa Barbara 
 ○ 2019 - 현재 : 지스트 신소재공학부 조교수 
4. 전문 분야 정보
 ○ 차세대 에너지 저장 소재, 기능성 전해질, 유기물전기화학, 유기합성
5연구지원정보 
 ○ 2021 - 현재 : 과학기술정보통신부‧한국연구재단 개인기초연구 사업
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홍석원 교수[공동 교신저자] 이력사항
1. 인적사항                                          
 ○ 소 속 : 지스트 화학과                   
 ○ 전 화 : 062-715-2346
 ○ e-mail : shong@gist.ac.kr
2. 학력
 ○ 1995 : B.S, 서울대학교
 ○ 1997 : M.S, 서울대학교
 ○ 2003 Ph.D, Northwestern University
3. 경력사항
 ○ 2019.3 - 현재 : 지스트 화학과 교수
 ○ 2003 - 2005 : 박사후연구원, The Scripps Research Institute, La Jolla, 
CA, USA (Advisor: Prof. Dale L. Boger)
4. 전문 분야 정보
 ○ 유기금속화학, 유기합성, 유기금속촉매, 유기전자재료
5연구지원정보 
 ○ 2022 - 현재 : 과학기술정보통신부‧한국연구재단, 나노소재 기술 개발 사업