나노기술 및 정책 정보

• 목록

수계(水系) 아연 이온 배터리는 이론 용량이 높고, 원가가 저렴하고, 환경 친화적이고, 조립이 간편한 등 우세를 보유하고 있기 때문에 일종 극히 밝은 발전 전망을 보유하고 있는 대규모 에너지 저장 시스템으로 평가를 받고 있음. 하지만 2원자가 아연 이온과 숙주(宿主) 소재 사이의 강한 정전기 역할, 양극 소재 용액 분해, 아연 덴드라이트(dendrite) 성장 등 문제 때문에 폭넓은 응용은 제한을 받고 있음.

현재 중성(中性) 혹은 약산성(弱酸性) 전해질은 이미 아연 음극의 순환 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있다는 점이 입증된 상황이며, 중성(中性) 혹은 약산성(弱酸性) 전해질과 매칭 되는 동시에 효율적이고 신속하고 안정적으로 아연을 저장할 수 있는 양극 소재 개발은 수계(水系) 아연 이온 배터리 발전을 추진하는 면에서의 관건이 되고 있음. 층상 소재(예를 들면 바나듐 산화물, 망간 산화물 등)는 원활한 2차원 아연 이온 전송 루트를 보유하고 있기 때문에 이미 폭넓은 연구가 수행됨.

이황화 몰리브덴은 일종 전통적인 2차원 층상 전이 금속 황화물에 속하지만 아연 저장에 사용되는 경우는 아주 드문 상황인데 이런 상황은 주로 블록 체 MoS2가 비교적 작은 층간 거리(0.62nm)와 비교적 낮은 친수성 특징을 보유하고 있어 수합(水合) 아연 이온의 가역 탈착이 제한을 받기 때문인 발생하는 것으로 나타났음.

더욱 큰 층 간격을 보유하고 있는 동시에 친수성이 양호한 이황화 몰리브덴 베이스 아연 축적 아연 양극 소재 개발은 중요한 의미를 보유하고 있는 동시에 큰 도전에 직면하여 있음.

중국 베이징(北京, 북경) 과학기술 대학교 취쉬안후이(曲選輝, 곡선휘) 교수 연구그룹의 류융창(劉永暢, 유영창) 교수와 리핑(李平, 이평) 교수 연구팀은 정전기 자체 조립 전략을 사용하여 그래핀을 이황화 몰리브덴 층 사이에 삽입하는데 성공함. 이황화 몰리브덴 층 간격을 0.62nm에서 1.16nm로 뚜렷이 확장시킨 동시에 산화 환원 그래핀과 풍부한 IT 위상을 보유한 MoS2에 더욱 이상적인 이온/전자 전도성과 친수성을 부여하는데 성공함.

개발된 "샌드위치" 구조를 보유한 이황화 몰리브덴/그래핀 복합 나노시트는 자체적으로 조립한 꽃 모양의 구조는 이황화 몰리브덴 층, 그래핀 층 스태킹(stacking)을 효과적으로 억제함으로써 전해질의 충분한 침윤(浸潤)과 아연 이온의 신속한 확산에 유리하고 구조 안정성을 유지할 수 있는 것으로 나타났음.

블록 체 이황화 몰리브덴(0.05Ag1 하에서 방전 용량은 21.9mA h g1에 도달함)에 비해 동 소재의 아연 축적 용량은 10배 이상 향상되는(0.05와 5A g1 하에서의 가역 용량은 각각 285.4와 141.6mA h g1 수준에 도달함) 동시에 순환 안정성이 우수한 것(1,800회 순환 후 용량 유지 비율은 88.2% 수준에 도달함)으로 나타났음.

연구팀은 GITT, 다른 스캔 속도 CV와 DFT 이론 계산을 이용하여 동 소재는 비교적 높은 아연 이온 확산 계수와 비교적 낮은 이온 이전 에너지 장벽을 보유하고 있다는 점을 계통적으로 입증한 상황임.

또한, 비(非) 원 위치 XRD, Raman 광 스펙트럼, XPS 등 수단과의 결합을 통해 충전과 방전 과정에서의 아연 이온 삽입/탈착 메커니즘 및 2H와 1T 이황화 몰리브덴의 가역(可逆) 위상 변화에 대한 심층적인 연구를 수행함.

그 외, 연구팀은 이황화 몰리브덴/그래핀 복합 양극과 폴리비닐 알코올/트리플루오로 메탄 설폰산 아연 히드로겔 전해질, 아연 박(zinc foil) 음극 간의 매칭을 통해 준(準) 고체상태 아연 이온 배터리 조립하였는데 동 준(準) 고체상태 아연 이온 배터리는 우수한 순환 안정성과 유연성을 보유하고 있는 것으로 나타난 동시에 양호한 응용 전망을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 Advanced Materials ("Sandwich-Like Heterostructures of MoS2/Graphene with Enlarged Interlayer Spacing and Enhanced Hydrophilicity as High-Performance Cathodes for Aqueous Zn-Ion Batteries")에 게재됨.