나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 류졘(劉健, 유건) 연구원 연구팀은 중국과학기술대학교 쑹리(宋禮, 송예) 교수 연구팀, 호주 시드니 공과대학교(University of Technology Sydney, UTS) 류하오(劉浩, 유호), 왕궈슈(汪國秀, 왕국수) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해, N 도핑 중공(hollow) 다공성 탄소 로드 Co 단일원자 나노 반응기(CoSA-HC)를 개발함.

연구팀이 개발한 반응기는 리튬-셀렌(Li-Se) 전지 양극으로서 높은 방전 용량, 이상적인 배율 성능과 순환 안정성을 나타내고 있으며, 쿨롱 효율은 100% 수준에 접근함. 연구팀은 이번 반응기 개발을 통해 금속-유황족 전지(MCB) 전극 디자인을 위해 새로운 아이디어를 제공함.

류졘(劉健, 유건) 연구원 연구팀은 장기간 마이크로/나노 반응기 중의 촉매 기초이론 연구를 심층적으로 연구하였으며, 나노 반응기 속에서의 활성 성분의 정확한 위치를 확정하였음.

연구팀은 중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 우중솨이(吳忠帥, 오충수) 연구원 연구팀과 공동 연구를 수행하고 Fe1-xS 나노 입자를 로드한 다공성 탄소볼(carbon-ball) 나노 반응기를 개발하여 리튬-유황 전지 양극 매트릭스(matrix)로 사용하였는데 0.5C 전류 밀도 조건에서 200회 반복 후에도 1,070mAh/g에 달하는 용량을 유지할 수 있었으며 용량 감소도 거의 없었음.

Se 양극은 이상적인 전자 전도성을 가지고 있기 때문에 S 양극의 부피 용량과 비슷한 상황이지만 폴리셀레늄화물의 셔틀 효과로 인해 Se와 Li의 반응 활성이 낮고, 용량 감쇠가 빠르기 때문에 Li-Se 전지의 실제 응용을 저해함.

이번 연구를 통해 연구팀은 단일원자 촉매의 독특한 전자 구조, 우수한 원자 이용 비율 및 촉매 성능을 활용하여 PVP 수정을 거친 PS를 템플릿으로 사용하고 이중 금속 ZnCo-ZIFs 전구체 속의 Co와 Zn 함유량에 대한 조절을 통해 N 도핑 중공 다공성 탄소 로드의 Co 단일 원자(CoSA-HC) 나노 반응기를 합성해 내는데 성공하였음.

CoSA-HC 나노 반응기 속의 단일 원자 Co 위치는 셀렌의 반응 활성을 효과적으로 활성화 시키고 셀레늄과 셀레늄화물을 고정시킬 수 있는 것으로 나타났으며, 중공 구조는 더욱 많은 활성 위치 및 더욱 큰 전극/전해질 접촉 면적을 제공할 수 있기 때문에 전해질 효과를 개선시키고 반응 과정으로 인해 발생하는 부피 팽창을 억제하는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("High-power lithium–selenium batteries enabled by atomic cobalt electrocatalyst in hollow carbon cathode") 지에 게재됨.