나노기술 및 정책 정보

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● 인하대학교 화학공학과 양승재 교수, 안동대학교 남승훈 교수 연구팀은 저온 흑연화 공정 개발을 통해 새로운 구조(나노쉘)의 나노 탄소소재를 개발

● 상업화된 흑연 기반 음극재는 이론용량과 율속특성이 낮아 차세대 에너지 저장시스템에 적용하는 데 한계가 있었고, 이러한 약점을 개선한 나노 탄소전극이 보고되고 있지만 낮은 흑연화도로 인해 작동전압이 높아지는 문제점 보유

● 연구팀은 이를 해결하기 위하여 멜라민-니켈 배위결합을 유도하고 탄화 공정을 적용하여 질소로 도핑한 흑연 나노쉘(nitrogen-doped graphitic nanoshell)을 개발

● 흑연 나노쉘(graphitic nanoshell)은 흑연 나노결정들이 여러 방향으로 연결되었기 때문에 높은 결정성을 유지하면서도 흑연 사이사이의 끝단을 통하여 리튬이온이 빠르게 출입이 가능

● 연구팀은 도핑된 질소 표면이 리튬 이온에게 유리한 위치를 제공하여 가역적인 정전용량 저장(capacitive storage)이 가능하다는 것과 흑연 나노쉘의 뛰어난 성능(294.6mAh/g)과 높은 안정성(372.8mAh/g after 700사이클)을 확인

● 해당 연구를 통해 간단한 합성 방법으로 새로운 탄소나노구조체를 합성하여 기존 흑연 음극의 낮은 율속특성을 획기적으로 개선함으로써 빠른 충·방전이 가능한 차세대 배터리의 개발 가능성을 높였으며, 향후 연구팀은 고출력 나노 탄소전극의 상업화 가능성을 검증할 수 있는 추가적인 실험을 진행할 예정

※ 용어설명

- 나노쉘(nanoshell): 실리콘과 같은 부전도체 핵을 다양한 두께의 금속 껍질로 감싸고 있는 나노미터(nm) 크기의 구조

- 율속특성: 충·방전 속도에 따라 용량 유지율이 좋아지거나 나빠지는 특성

- 나노 탄소전극(nanostructured carbon material): 흑연 나노결정의 끝단이 여러 방향으로 열려있어 흑연 나노결정 안쪽으로 리튬 이온의 출입이 용이한 독특한 나노구조를 가지고 있는 물질

※ Energy Storage Materials 게재(2021.10.30.), “Fast-chargeable N-doped multi-oriented graphitic carbon as a Li-intercalation compound”

※ 한국연구재단(중견연구자지원사업, 기초연구실사업), 한국과학기술연구원(개방형 연구 프로그램 4U사업), 한국재료연구원(기본 연구 프로그램 PNK7340 사업) 지원