나노기술 및 정책 정보

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소재 합성은 현대 소재 과학의 초석이지만, "어떻게 하면 짧은 시간 및 사이즈 내에서 효율적으로 특정 구조를 보유하고 있는 소재를 개발할 것인가"라는 과제는 장기간 소재 과학자들이 추구하는 목표에 속하고 있음. 

대부분의 합성 반응은 외부에서 에너지를 취득하여 반응 장벽을 극복해야 하지만 전통적인 에너지 공급 방식은 연소와 전기 가열 등을 포함하게 되는데 이런 방식은 주로 열전도로 에너지를 열 원천에서 제조 환경에 전달하게 되고 다시 환경에서 목표 반응물에 전달하기 때문에 동 전달 과정에서 열 진동의 무질서 특성으로 인해 에너지의 대량 낭비를 야기할 수 있는 동시에 각자의 부작용을 도입하게 됨. 

이상적인 에너지 전달 방식은 "목표 방향" 특성을 보유하고 있어야 하며, 이런 특성을 보유하고 있어야만 목표 반응물이 발사 원천의 에너지를 직접 받아들여 정확하고 신속한 화학 반응 을 발생시켜 에너지의 효율적인 이용을 실현 할 수 있게 됨.

3원 Li（NI/Co/Mn）O2를 대표로 하는 층상 산화물 리튬배터리 양극 소재는 독특한 리튬이온 삽입 층(interlayer) 화학 특성을 보유하고 있기 때문에 이미 리튬이온 배터리 중에서 제일 중요한 양극 소재 시스템이 된 상황임. 

현재 산업계든 실험실이든 고온 고체 위상 방법을 폭넓게 사용하여 합성 층상 산화물 양극 소재의 메인 스트림 측이 되고 있는데 이런 방법은 750-1000℃의 고온 하에서 장시간 소결(>10시간)이 필요하기 때문에 거대한 에너지 소모, 환경오염 등 문제가 발생하는 동시에 비교적 높은 생산 원가가 발생하게 되기 때문에 에너지 소모가 적고, 신속한 합성이 가능한 신형 방법 개발은 리튬이온 배터리 생산 원가를 낮추고 미래 에너지 저장 시장 발전을 추진하는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있음.

중국 베이징(北京, 북경) 대학교 선전(深圳, 심천) 대학원 산하 "신소재 대학" 판펑(潘鋒, 반봉) 교수 연구팀은 미국 국가 싱크로트론 방사 광원 II(National Synchrotron Radiation Light Source II, NSLS II) 바이졘밍(白健明, 백건명) 교수 연구팀, Brookhaven 국가 실험실 왕펑(王峰, 왕봉) 교수 연구팀, 미국 육군 실험실 쉬캉(許康, 허강) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고 일종 완전히 새롭고 효율적인 마이크로파 수열(水熱) 합성 방법을 개발하는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 원 위치 싱크로트론 방사 XRD를 통해 층상 양극 소재인 Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 (NMC333)의 마이크로파 수열(水熱) 합성 과정을 추적하여 수소 산화물 전구체가 160℃ 저온 하에서 극히 짧은 시간 내(4분)에 층상 산화물 생성물로 전환된다는 점을 발견하였음. 

연구팀은 원 위치 고체 위상 합성 실험, 원 위치 수열(水熱) 합성 실험을 실행하고 비교 분석을 통해 마이크로파 수열(水熱)의 반응 속도(1.819 min-1)는 고체 위상 합성(0.091min-1)과 수열(水熱) 합성(0.096min-1)에 비해 한 개 수량 등급이나 더 높다는 점을 발견하였음. 원 위치 실험을 통해 반응 중의 각 구성 그룹의 마이크로파 흡수 능력에 대한 정밀 분석을 실행하고 초고속 마이크로파 합성 배후의 표적 방향 에너지 전송이 발생시키는 화학 반응 메커니즘을 해석하는데 성공하였음.

이번 연구를 실행하는 과정에서 마이크로파 에너지는 극화(極化) 분자 수합(水合) 리튬이온 및 쌍을 형성하지 못한 스핀 전자의 전이 금속 이온의 공진 상호 역할을 통해 정확하게 에너지를 반응물 속에 전달한다는 점을 발견하였으며, 반응물의 내부 동적 에너지를 향상시킬 때 환경 반응 온도에 미치는 영향이 크지 않기 때문에 고체 액체 인터페이스 위치에서의 리튬이온 삽입 속도와 결정체의 위상 구조화를 가속화시킬 수 있으며, 최종적으로 층상 양극 소재의 저온 고속 합성을 실현할 수 있다는 점을 입증하였음.

본 연구 성과는 Science Advances("Ultrafast solid-liquid intercalation enabled by targeted microwave energy delivery")에 게재됨.