나노기술 및 정책 정보

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브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory) 연구팀이 독특한 꽃 모양의 나노구조를 특징으로 하는 유망한 고속 전극 재료로 많은 충전 및 방전주기에 걸쳐 배터리 용량을 증가시켰음. 리튬이온 배터리는 충전 중 양극 (음극)과 음극 (양극) 사이에서 리튬이온을 셔플링하고 방전 중에는 반대 방향으로 작동함. 우리의 스마트폰, 노트북 및 전기 자동차는 일반적으로 탄소의 한 형태인 흑연으로 만든 양극이 있는 리튬이온 배터리를 사용함. 리튬은 배터리를 충전할 때 흑연에 삽입되고 배터리를 사용할 때 제거됨. 흑연은 수백 또는 수천주기에 걸쳐 가역적으로 충전 및 방전될 수 있지만 저장할 수 있는 리튬의 양(용량)은 에너지 집약적인 응용 분야에 충분하지 않음. 예를 들어, 전기 자동차는 재충전이 필요하기 전까지 만 이동할 수 있음. 또한 흑연은 매우 높은 속도(전력)로 충전 또는 방전될 수 없음. 이러한 한계로 인해 과학자들은 대체 양극 재료를 찾고 있음. 이러한 유망한 양극 재료 중 하나는 리튬, 티타늄 및 산소를 포함하는 리튬티타네이트(LTO)임. 고속 기능 외에도 LTO는 우수한 사이클링 안정성을 가지고 있으며 리튬이온을 수용하기 위해 구조 내에 빈 사이트를 유지함. 그러나 LTO는 전기를 제대로 전도하지 못하며 리튬이온이 물질로 확산되는 속도가 느림. Pure LTO는 적당한 가용 용량을 가지고 있으며 빠르게 전력을 공급할 수 있음. 고속 배터리 재료는 전기 자동차, 휴대용 전동 공구 및 비상 전원 공급 시스템과 같이 저장된 에너지를 몇 분에 걸쳐 빠르게 사용하려는 애플리케이션에 매력적임.

연구팀은 최근 도핑이라고 알려진 공정을 통해 염소를 추가하여 LTO 용량을 12 % 증가 시켰음. 제어된 도핑은 물질의 전자적 및 구조적 특성을 변화시킬 수 있음. 화학반응을 개발하고 사용하여 유리한 구조-특성 상관 관계를 지정하는 연구를 통해, LTO의 경우, 도펀트 원자의 통합은 전기 전도도를 증가시키고 결정격자를 확장하여 리튬이온이 이동하는 채널이 더 넓어지게 됨. 과학자들이 다양한 유형의 도펀트를 테스트해 왔지만 염소는 그다지 연구되지 않았었음. 염소 도핑된 LTO를 만들기 위해 연구팀은 열수합성이라고 하는 용액 기반 방법을 사용했음. 열수합성에서 관련 전구체(원하는 생성물을 형성하기 위해 반응하는 물질)를 포함하는 용액을 물에 추가하고 혼합물을 밀봉된 용기에 넣어 일정 기간 동안 비교적 적당한 온도와 압력을 유지시킴. 이 경우, 절차의 확장을 가능하게하기 위해 이전에 이러한 유형의 반응에 사용된 고체 티타늄 호일 대신 액체 기반 티타늄 전구체를 선택했음. 순수한 LTO와 염소 도핑된 LTO를 36 시간 동안 열수합성 한 후, 원하는 물질을 분리하기 위해 추가 화학 처리를 수행했음.

연구팀은 SEM 이미징 연구에서 두 가지 샘플 유형 모두 "꽃 모양" 나노구조를 특징으로 하는 것으로 나타났음. 이 결과는 화학적 처리가 원래 구조를 파괴하지 않았음을 시사함. 연구팀의 새로운 합성 접근법은 이러한 3D 나노 플라워의 대규모 생산을 위해 보다 빠르고 균일하며 효율적인 반응을 촉진함. 이 상대적으로 독특한 종류의 구조는 표면적이 높으며 중앙 코어에서 방사형으로 퍼지는 꽃과 같은 “꽃잎”이 있어 리튬이온이 재료에 접근하는 여러 경로를 제공함.

본 연구 성과는 ‘Chemistry – A European Journal’ ("Solution-Based, Anion-Doping of Li4Ti5O12 Nanoflowers for Lithium-Ion Battery Applications") 지에 게재됨