나노기술 및 정책 정보

• 목록

거시적인 체적 속에 나노 레벨의 비범한 특성을 제공하기 위해서는 2D 나노시트를 3차원(3D) 다공성 블록체 속에 집적하는 것은 매우 중요하며, 3D 시스템 구조, 3D 네트워크 혹은 에어로젤이라고도 할 수 있음.

다공성 블록체 3D 그래핀(3DG)의 상호 지탱 구조는 그래핀의 집중 혹은 재 퇴적을 방지할 수 있는 동시에 3DG의 sp2 상호 접속 네트워크는 전자/음성 전송을 위해 루트를 제공할 뿐만 아니라 물질 전달(mass transfer)을 위해 연속적인 공동(cavity)/루트를 제공할 수 있음.

중국 난징(南京, 남경) 대학교 왕쉐빈(王學斌, 왕학빈) 교수 연구팀은 최근 3DG 다공성 블록체 소재 합성 방법에 대한 연구를 수행 및 이중 전기 층 슈퍼 커패시터용 다공성 3DG 블록체를 개발하고, 현재 3DG 제조 및 응용 분야에서 직면한 도전과 전망을 분석하였음.

3DG 다공성 블록체는 2D 그래핀 유닛으로 높은 전도성 다공성 네트워크 구조를 구축하여 형성된 선진 소재에 속함.

3DG 다공성 블록체는 거시적인 사이즈 상에서 2D 그래핀의 우수한 성능을 제공할 뿐만 아니라 등급 별 다공성 네트워크, 조절 가능한 공극률과 우수한 역학적 특성 등 독특한 우세를 제공할 수 있고, 이런 독특한 우세들은 고성능의 전도체, 탄성체, 흡착제와 전기화학 전극을 제조할 수 있게끔 하는 면에서 중대한 역할을 발휘하며, 그 중에서 전극은 큰 관심을 끌고 있음.

비록 신속한 발전을 실현한 상황이지만 3DG에 기반한 EDLCs는 여전히 기대에 미치지 못하고 있으며, 3DG 소재에 대해서 액상 방법은 생산성이 높은 장점을 보유하고 있지만 반데르발스 힘(van der Waals' force)이 약하거나 비(非) 공유 원자가 결합으로 인해 환원 산화 그래핀의 층간의 연결이 부족한 동시에 열(熱)이 불안정함.

CVD는 다공성 블록체 템플릿을 복제하여 고품질의 3DG를 생성시킬 수 있지만 미래의 대규모 산업화에서 템플릿의 순환 사용을 감안해야 하며, 사용한 템플릿은 고체/액체 탄소 소스에 대해 열분해를 실행할 경우 동일한 문제에 직면하게 되는 것으로 나타났음.

비(非) 템플릿 열분해는 원가 효과를 보유하고 있지만 도전적인 과제에 속하는 외, 성장 메커니즘에 대한 체계적인 연구는 3DG의 내부 네트워크 구조와 공극 구조(pore structure)를 제어하는데 유리한 것으로 나타났음.

EDLCs에 대해서는 에너지 밀도를 향상시키는 것이 시급하며, 3DG 전극 소재에 대한 기초연구는 전극/전해질 인터페이스의 조정과 성능 향상에 도움이 될 것으로 전망됨.

높은 내압(耐壓)의 전극과 전해질을 사용하면 에너지 밀도를 효과적으로 향상시킬 수 있고, 고도로 흑연화된 3DG는 적합한 전극 후보 물질이 될 수 있으며, 특히 중시해야 할 점은 체적 성능이 부분적인 컴팩트형 설비의 관건적인 지표가 된다는 점임.

그 외, 적합한 공극 구조와 전극-전해질 매칭도 모색해야 하며, 전극과 전해질에 대한 합리적인 디자인은 고성능 EDLCs의 최종적인 산업화와 상업화 실현을 추진하게 될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Carbon Energy’ ("Jinjue Zeng et al. Porous monoliths of 3D graphene for electric doublelayer supercapacitors.")에 게재됨.