나노기술 및 정책 정보

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● 고려대학교의 유승호 교수, 서울대학교의 박원철 교수, 서강대학교의 백서인 교수 공동연구팀이 질소, 황이 도핑된 계단식 그래핀 나노리본을 합성하고 산화환원반응 간 이동장벽을 극복하여 칼륨(포타슘) 전지의 전기화학 성능을 크게 향상

● 칼륨은 가격이 싸고 매장량이 풍부하며, 리튬 이온의 고유전위(-3.04V)에 근접한 표준전극 전위(-2.93V)를 가짐으로써 리튬이온전지 못지않은 에너지 저장이 가능

● 하지만, 칼륨 이온의 전기화학적 삽입/탈리 간의 높은 에너지 장벽은 탄소의 표면에서만 칼륨 이온이 저장되는 흡/탈착 반응을 일으키며, 완전지의 조립 시 낮은 에너지밀도를 갖게 되므로 칼륨전지에서 높은 성능을 나타내기 위해서는 칼륨의 원활한 삽입/탈리가 중요

● 이에 연구팀은 탄소나노튜브 지지체에 연결된 계단 형태의 그래핀 나노리본 정렬 구조를 합성하고, 이를 통해 충/방전 반응간의 칼륨 이온의 높은 에너지 장벽을 극복하여 고성능의 안정적인 칼륨전지의 성능을 구현

● 특히, 다양한 전기화학 분석을 이용하여 질소, 황이 공동으로 도핑된 그래핀 나노리본 구조의 향상된 전기화학 특성을 확인하였으며, 우수한 칼륨전지 시스템을 구축

● 또한, 밀도범함수이론(DFT) 계산을 이용하여 그래핀 나노리본의 계단식 구조에 따른 칼륨 이온의 이동장벽과 질소, 황 도핑에 따른 이동장벽을 계산하여 높은 전기화학 성능 구현에 대한 근거를 이론적으로 뒷받침하였으며, 탄소 음극재의 이와 같은 특성을 활용한 우수한 칼륨전지 개발 가능성을 검증

● 해당 연구는 구조가 제어되고 외부원소가 도핑된 그래핀 재료가 차세대 칼륨이온전지 음극재로 활용될 수 있다는 가능성을 보여주었고, 다양한 원소를 도핑하고 적합한 구조를 갖는 탄소 재료를 개발하는 것이 차세대 전지의 성능을 높이는 데 기여할 것으로 기대

※ Energy Storage Materials 게재