나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 물리 연구소 산하 "베이징(北京, 북경) 응집물질물리 국가 연구 센터" 소속 "선진 소재 및 구조 분석 실험실"의 "A05 그룹 연구팀"은 최근 관련 연구를 실행하는 과정에서 초탄성(Hyperelasticity) 탄소 에어젤(Aerogels) 제조 방법에 기반 하여 일종 "자기 지탱(Self supporting) 환원 산화 그래핀 롤(Roll)"을 합성하였으며, 그래핀 롤 네트워크와 유황을 복합하여 높은 용량과 장 순환 특성을 보유한 리튬 황 배터리를 개발하는데 성공하여 이슈가 되고 있는 상황임.

연구팀은 이번 연구를 통해 그래핀 롤(Roll) 네트워크가 전기 화학 에너지 저장 분야에서의 응용을 확장시켰으며, 이온과 그래핀 시트 층에서의 정전기 흡착을 통한 동시에 얼음 결정 템플릿 방법과 냉동 건조 기술을 결합시켜 일종 3차원 상호접속(interconnection) 그래핀 롤(Roll) 전도 네트워크상의 원 위치 성장이 가능한 MnO 나노 입자의 초고(超高) 배율 자체 지탱 리튬 저장 음극을 개발하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 산화 그래핀 농도에 대한 조정 제어를 실현하고, 생성물 속의 그래핀으로 하여금 1차원 롤(Roll) 상태에서 2차원 시트 층상으로의 전환을 실현하였으며, 전기화학 측정 테스트와 구조 표면 특징 분석을 통해 다른 마이크로 구조와 리튬 저장 반응 동력학 간의 관계에 대한 계통적인 연구를 실행하였음.

연구팀이 이번 연구를 실행하는 과정에서 1차원 그래핀 롤(Roll)로 구축한 상호접속(interconnection) 네트워크는 2차원 그래핀 시트 층으로 구성된 마이크로 구조에 비해 더욱 강한 전자/이온 이전 동력학을 보유하여 더욱 이상적인 배율 성능과 더욱 높은 순환 안정을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

그 외, 연구팀은 그래핀 롤(Roll)을 프레임워크 소재로 사용하고, MnO 나노 입자와 Mn-O-C 화학 키와의 긴밀한 결합을 실현한 동시에 다양한 구조 유닛 구축을 통해 다단계 마이크로 구조를 형성하였으며, 금속 산화물이 리튬 속 삽입과 리튬 속으로부터의 탈착 과정에서 존재하는 구조와 인터페이스 안정성을 효과적으로 보장한 동시에 전극이 1,000회 순환한 후에도 여전히 기존의 다단계 구조를 유지할 수 있다는 점을 입증한 상황임.

연구팀은 높은 배율-높은 용량 특성에 기반 한 자체 지탱 음극으로 리튬 이온 커패시터를 개발하였는데 연구팀이 개발한 리튬 이온 커패시터의 출력 밀도가 139.2 W kg-1 수준에 도달할 때 179.3 Wh kg-1에 달하는 에너지 밀도를 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 전극 소재가 양호한 구조 안정성을 보유하고 있기 때문에 리튬 이온 커패시터는 5 A g-1 하에서 5,000회 순환 후에도 용량 유지 비율이 80.8% 수준을 유지하는 것으로 나타났음.

연구팀이 이번 연구를 실행하는 과정에서 사용한 제조 방법은 기타 전자/이온 전도율이 비교적 낮고, 체적 변화가 크고 구조와 인터페이스 불안정 등 보편적인 문제를 보유하고 있는 금속 산화물 음극 소재 디자인과 개선에 응용될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 Energy Storage Materials("In situ anchoring MnO nanoparticles on self-supported 3D interconnected graphene scroll framework: A fast kinetics boosted ultrahigh-rate anode for Li-ion capacitor")에 게재됨.