나노기술 및 정책 정보

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● 일본 토호쿠대학교, 독일 카를스루에공과대학교 국제 공동 연구그룹이 확산 율속으로 인해 실온에서는 충분히 확인되지 않았던 반응을 중온 영역에서의 전기 화학 반응을 통해 부각시켰으며, 몇몇 이산화망간(MnO2)의 다형 구조는 마그네슘 이온의 삽입이 가능하며 삽입 후에도 모구조를 지킬 수 있는 ‘토포택틱 반응(topotaptic reaction)’이라 불리는 MnO2의 새로운 측면을 발견

● 연구진은 α, β, γ, δ, λ형 구조를 갖는 MnO2의 5가지 결정 다형을 마련했고, 온도가 상승할 때(150℃) 전기 화학적 마그네슘 이온을 삽입하여 고체 내 ​​확산을 촉진시킴으로써 MnO2 입자 전체에 균일하게 마그네슘 이온프로그램을 침투 가능

● 연구진은 실온의 확산 율속 하에서는 볼 수 없었던 MnO2 다형의 상변태 거동을 새롭게 부각시켰으며, 마그네슘이 삽입된 MnO2 다형은 모구조에 관계없이 모든 다형에서 스피넬형 구조 및 암염형 구조로 상변화하는 경향이 있는 것으로 확인

● 제1원리 계산 검토 결과 마그네슘 삽입에 따라 스피넬 구조, 암염 구조가 안정적인 구조인 것으로 나타났기 때문에 실험 결과는 이론적 계산 결과와 일치

● λ형 MnO2는 매우 안정적인 MgMn2O4 스피넬 화합물로부터 Mg 원자가 모두 제거된 구조로 에너지 관점에서 볼 때 매우 불안정하여 150℃에서 그 구조는 안정적으로 유지될 수 없었던 것을 확인

● λ형 구조는 마그네슘 삽입 전에는 구조적인 불안정성이 높지만 이상적인 토포택틱 삽입(topotaptic insertion)으로 인해 고용량 마그네슘을 수용할 수 있는 유일한 구조라는 것이 확인

● 본 연구는 마그네슘 이온의 이탈·삽입을 허용하면서도 구조적인 견고함을 유지하는 구조가 존재한다는 것을 발견

● 연구진은 해당 연구 성과를 통해 MnO2를 기반으로 하는 활물질을 양극으로 하는 마그네슘 전지의 개발이 가속화될 것으로 기대

※ Chemistry of Materials 게재(2021.08.17.), “Accelerated kinetics revealing metastable pathways of magnesiationinduced transformations in MnO2 polymorphs”