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MnO2는 원가가 저렴하고 높은 이론 용량을 보유하고 있기 때문에 다양한 이온 배터리 양극 숙주 소재로서 폭넓은 연구가 실행되고 있음. 연구 대상은 Li+, Na+, K+, Zn2+, Mg2+ 등 양극 소재들이 포함되고 있지만 MnO2 소재의 낮은 전자/이온 전도 비율, 낮은 가역 방전 용량, 완만한 확산 동력학과 비교적 떨어지는 순환 안정성 때문에 산업화 응용 잠재력은 제한을 받고 있음.

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이런 문제점을 해결하기 위해 과학자들은 다양한 성능 최적화 전략을 제시하였는데 금속 도핑, 탄소 코팅, 전기 전도 폴리머 코팅, 미리 삽입, 초(超) 농도 전해질 등이 포함됨. 그 중 ‘사전 삽입 전략’은 일종 결정체 구조를 통해 양극 소재 본질 특징 전기화학 성능을 효과적으로 조정 제어하는 전략으로, 다양한 양극 숙주 소재 연구에 응용되고 있음. 바나듐산염, 2차원 전이 족 금속 황화물, 셀렌화물 등이 포함됨. 하지만 ‘사전 삽입 전략’으로 MnO2 결정체 구조에 대한 조정 제어와 전기화학 성능 간의 관계에 대한 연구는 많지 않은 상황임.

최근 베이징(北京, 북경) 대학교 선전(深圳, 심천) 대학원 신소재 대학 판펑(潘鋒, 반봉) 교수 연구팀은 원가가 저렴한 배터리 양극 소재인 MnO2에 대한 연구를 실행하고, 합성 과정에서 이온/분자 에너지를 사전에 삽입하는 ‘사전 삽입 전략’을 통해 MnO2 성능과 관련 메커니즘에 대한 조정 제어 및 최적화를 실행하고 미래 연구에 대한 전망을 분석함.

연구팀은 MnO2가 각종 배터리 양극 소재로 사용될 때 줄곧 해결하지 못했던 문제점을 분석하였는데 구체적으로 MnO2의 낮은 전기 전도 비율, 낮은 가역 충전 및 방전 심층 정도, 이온 결정체 구조 중의 완만한 확산 동력학 등의 문제점을 분석함.

‘사전 삽입 전략’은 MnO2 양극 소재 응용 분야에서 적극적인 역할을 발휘하는데 전자/이온 전도 향상, 반응 활성화 및 위치 점 활성 추진, 확산 동력학 향상, 전기화학 과정 속에서의 소재 결정체 구조 안정성 향상 등의 역할들이 포함되고 있음.

하지만 ‘사전 삽입 전략’도 새로운 도전에 직면하여, 이 전략에 기반한 높은 성능을 보유하고 있는 MnO2 소재 발전 전망에 대한 연구를 추진하고 있음.

본 연구 성과는 Advanced Materials ("Preintercalation Strategy in Manganese Oxides for Electrochemical Energy Storage: Review and Prospect")에 게재됨.