차세대 칼륨·나트륨 이온전지용 활성 그래핀 제조 기술
차세대 칼륨·나트륨 이온전지용 활성 그래핀 제조 기술
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.17 23:55
  • 조회수 1302
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

요약

 

그래핀 결정구조를 활성화시켜 고효율의 안정성을 갖는 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 응용 기술이 세계 최초로 개발됐습니다. 구겨진 종이공 형상의 그래핀 결정 구조를 조절하고 활성화시켜 칼륨 및 나트륨 이온 전지용으로 적용했습니다. 이번 연구 결과는 차세대 에너지 저장 장치의 전극 소재로써 칼륨 및 나트륨 이온 전지의 실질적 활용 가치를 증명 했다는 의미가 있습니다. 

'꿈의 나노 물질·꿈의 신소재'라 불리는 그래핀(Graphene)을 칼륨과 나트륨 이온 전지용 소재로 적용한 응용 기술이 세계 최초로 개발됐습니다. 한국지질자원연구원(KIGAM) 장희동 박사 연구팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀은 에어로졸 공정으로 제조된 구겨진 종이공 모양의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리 활성화 과정을 통해 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 소재에 적용 하는데 성공했습니다. 해당 연구는 <Advanced Energy Materials>에 게재됐습니다. 

활성화된 구겨진 형상의 그래핀(A-CG) 합성과정 모식도. 출처: KIGAM
활성화된 구겨진 형상의 그래핀(A-CG) 합성과정 모식도. 출처: KIGAM

 

탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 얇은 막 형태의 나노 소재. 연필심의 재료인 흑연은 탄소가 층으로 쌓여 있는 '단일층' 구조인데 이 흑연의 한 층을 그래핀(Graphene)이라 부릅니다. 그래핀은 전기가 잘 통하고 열전도성이 높습니다.

  • 칼륨 및 나트륨 이온 전지

칼륨이온배터리는 전압이 높고 에너지 밀도가 큽니다. 나트륨이온배터리는 안전하고 가격이 싸며 원료 확보가 용이해 차세대 대용량 배터리의 대체재로 주목받고 있습니다. 

장희동 박사 연구팀은 구조적, 화학적으로 안정한 구겨진 종이공 형상의 그래핀 결정 구조를 조절하고 활성화시켜 칼륨 및 나트륨 이온 전지용으로 적용했습니다. 활성 그래핀을 사용한 이온 전지는 높은 저장 용량, 고속 충방전 및 장시간 안정성 등의 우수한 물성을 나타냈습니다. 특히, 이번 연구의 활성 그래핀은 에어로졸 공정으로 제조된  구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리를 통해 활성화시킨 것입니다.

 

성능도 우수해

 

연구팀은 제조된 활성 그래핀의 전기화학 특성 평가 후 밀도함수 이론 분석을 수행했습니다. 그 결과 적용된 기술이 칼륨 및 나트륨 이온 전지로 모두 매우 우수한 물성을 나타내고 있음을 확인했습니다. 특히 칼륨 이온 전지는 가역 정전 용량이 340 mAhg-1이었고, 나트륨은 280 mAhg-1이었으며 8,000 사이클 이후에도 높은  안정성을 유지했습니다.

결정 구조 제어된 그래핀에 흡착되는 알칼리 이온의 흡착 모식도. 출처: KIGAM
결정 구조 제어된 그래핀에 흡착되는 알칼리 이온의 흡착 모식도. 출처: KIGAM

기존 연구들에서는 칼륨 및 나트륨 이온 전지의 전극 물질로 흑연을 적용한 연구가 수행됐으나 충·방전시 그 속도가 저하돼 장시간 사용 시 효율과 안정성이 낮아지는 문제점이 있었습니다. 이러한 문제를 해결코자 그래핀을 사용한 연구가 시도됐으나 그래핀 시트 간의 재적층 현상으로 인해 우수한 물성의 결과물을 얻지 못했습니다. 참고로 재적층 현상이란 2차원 구조의 그래핀들이 서로 붙어 다시 적층(층층이 쌓임)돼 우수한 특성을 잃어버리는 문제점을 가리킵니다. 이러한 점에 착안한 연구팀은 재적층이 발생하지 않는 구겨진 종이공 형상의 물성이 좋은 활성 그래핀을 제조해 기존 연구의 한계점을 극복했습니다. 

 

연구팀은 이번 연구 결과가 차세대 에너지 저장 장치의 전극 소재로서 칼륨 및 나트륨 이온 전지의 실질적 활용 가치를 증명했다는 점에서 큰 의의를 두고 있습니다. 더불어 향후 기술 실용화와 상용화가 이뤄질 경우 기존 리튬 이온 저장 장치를 대체 할 수 있는 수십 조 원 이상의 경제적 효과가 창출될 것으로 기대하고 있습니다. 


교신저자인 장희동 박사는 "이번 연구 결과는 활성 그래핀을 활용한 칼륨 및 나트륨 전극 소재가 차세대 이차 전지의 원료 소재 로 높은 활용 가능성을 보여주었다는 점에서 가치가 있다"고 말하며 "자원빈국인 우리나라가 차세대 에너지저장장치를 선도할 수 있도록 기술 실용화에 최선을 다하겠다"고 밝혔습니다.

 


##참고자료##

 

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2020 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트