나노기술 및 정책 정보

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● 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과의 전석우 교수, 김일두 교수, 미국 일리노이대학 폴 브라운 교수 공동연구팀이 재현성 있는 광학 패터닝 기술을 이용하여 고도로 정렬된 나노 네트워크 구조의 유기 음극을 설계해 리튬유기전지의 성능을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발

● 유기 이차전지는 유기 전극 소재를 기반으로 하며 전극의 경량화가 가능하고, 우수한 가변성과 재활용이 용이하다는 장점이 있어 친환경 전지 시스템으로 각광받고 있지만, 고에너지밀도 달성에는 한계가 있었고, 실제 전기차 및 휴대용 전자기기 등에 적용되기 어려운 느린 충전 속도와 수명 저하 이슈가 걸림돌로 지적되었던 상황

● 연구팀은 전기화학적 활성과 안정성을 제한하는 기존의 비정렬적 전극 구조 대신 정렬된 서브 마이크론(100만분의 1미터 이하) 크기의 기공 채널을 갖는 3차원 이중 연속 구조의 유기 고분자-니켈 복합전극을 도입

● 이를 통해 탄소계 도전재 없이도 속도 특성을 비약적으로 향상하는 데 성공하였으며, 15A/g의 높은 전류밀도에서도 250회의 충·방전 사이클 동안 전극의 용량이 83% 이상 유지되는 높은 내구성과 안정성을 확인

● 나아가 3차원 나노 네트워크 구조를 기반으로 유기물 내 다중 탄소 고리의 불포화 결합에서의 촉진된 `슈퍼리튬화' 현상을 규명하여 1,260mAh/g의 높은 가역 용량 달성을 확증함과 동시에 우수한 전하 이동에 대한 동역학 분석을 통해 초고속 성능의 메커니즘을 검증

● 연구팀이 이번에 확보한 충·방전 특성은 현재까지 보고된 유기 음극 소재 중 가장 높은 수준으로, 무기물 기반의 현 전극 소재를 대체할 수 있으며 장기적으로는 전기차 또는 휴대용 전자기기 등의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대

※ Energy & Environmental Science 게재(2021.08.06.), “3D Periodic Polyimide Nano-Networks for Ultrahigh-Rate and Sustainable Energy Storage”

※ 한국연구재단 (미래소재디스커버리사업) 지원