나노기술 및 정책 정보

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전기자동차와 모바일 전자 제품의 발전에 따라 에너지 저장 및 변환에 대해 더욱 높은 수준이 요구되고 있으며, 리튬이온전지에 이어 충전이 가능한 전지의 높은 에너지 밀도, 고 배율 충전 및 방전, 높은 반복 안정성이 필요함. 리튬황전지는 높은 에너지 밀도(2,600Whkg-1), 경제적이고 환경 친화적인 장점을 가지고 있기 때문에 차세대 에너지 저장 시스템 후보자로 부상하고 있음.

하지만 예를 들어 단량 황과 황화리튬의 비전도성, 리튬 폴리황화수소 중간 생성물의 셔틀 효과와 충전 및 방전 과정에서 부피의 변화 같은 문제가 리튬황전지의 이용률을 낮추고 있음.

중국과학원 수저우(蘇州, 소주) 나노기술 및 나노 바이오닉스 연구소 장웨강(張躍鋼, 장약강) 연구원 연구팀은 나노소재 구조 디자인 및 표면 기능화로부터 출발하여 다른 활성 나노 촉매 복합 소재를 개발하고 현장 분광법을 사용하여 관련 역할 메커니즘에 대한 연구를 하였음.

연구팀은 3차원 그래핀의 공극 구조 및 기능 그룹에 대한 조정 제어를 최적화하여 용해성 폴리황화물의 물리 및 화학적으로 강한 흡착을 실현시켰으나, 물리 화학 흡착 수단에만 의존해서는 셔틀 효과의 제한성을 막지 못하고, 전지의 신속한 충전 및 방전 특성을 충족시킬 수 없다는 점을 발견하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 다양한 "흡착+촉매" 전략을 제시하여 리튬황전지의 핵심적인 문제를 종합적으로 해결하였음. "단일 단계 방법(one-step method)"을 이용하여 높은 활성을 가진 산소 결함 금속 산화물(ODMO) 나노 클러스터 촉매를 합성하였는데 실험과 이론 시뮬레이션 결과 산소 결함 활성 위치점은 폴리황화물 속의 S-S 결합의 파손 및 생성을 뚜렷이 가속화시키고 전지의 용량 감소 비율을 0.055% 감소시켜 빠른 충전/방전 및 장기적인 안정성을 충족시킬 수 있다는 점이 입증되었음.

비전도성 반응 생성물인 황화리튬 충전시 탈 리튬이온의 난이도를 줄이고 전기 화학 반응 속도를 높이기 위해 단일 원자 촉매를 리튬전지 분야에 도입하고, 공차 교정과 동기 방사 X-선 흡수 분광법(XAS)을 결합하여 단일원자 촉매의 존재를 확인하였음.

단일원자 촉매는 변환 반응 배터리에 따라 충전 및 방전 속도를 획기적으로 개선시키는 것으로 나타났는데 12C(이론적으로 5분이면 충전을 완료함) 때 전지의 용량은 여전히 588mAh g-1 수준에 달하고, 5C 때 1,000회 반복 용량 감쇠 비율이 0.06% 수준을 유지함.

연구팀은 현장 XAS 분석을 통해 단일원자 철 촉매제가 탈리튬 과정에서 진화 법칙에 대한 예비적인 연구를 실행하였음.

높은 면적 로드량의 리튬황전지의 상업화를 위해서는 대용량 전지의 급속 충전 및 방전을 실현해야 함.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 나노 탄소 기판에서 균일 로드 분포 단일원자 코발트(SACo) 촉매 복합 양극 소재를 개발하고, 단일원자 촉매가 높은 면적 로드량 Li2S 전극 반응에서 리튬이온의 확산 속도를 가속화시킬 수 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 높은 에너지 밀도와 출력 밀도를 가진 리튬전지 개발을 위해 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘ChemSusChem’ ("Single-Atomic Catalysts Embedded on Nanocarbon Supports for High Energy Density Lithium-Sulfur Batteries") 지에 게재됨.