나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 다롄(大連) 화학물리연구소 산하 "촉매기초국가중점실험실" 소속 2차원 소재화학 및 에너지응용 연구그룹의 우중솨이(吳忠帥) 연구원 연구팀은 최근 유기-무기 하이브리드 소재 연구그룹 양치화(楊啓華) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하여 단일 원자 아연(zinc)으로 변형된 중공(中空) 탄소구(球) 나노반응기(nanoreactor)를 개발함.

연구팀이 개발한 나노반응기는 리튬황전지 양극, 음극 기판(matrix)에 동시에 사용될 수 있으며, 폴리황화물의 촉매 활성을 향상시키고 리튬 음극 덴드라이트(dendrite) 성장을 억제할 수 있는 것으로 나타났음. 동 반응기를 응용한 높은 비교 에너지 리튬황 전체 전지는 높은 부하, 높은 배율, 긴 수명의 특성을 가짐.

리튬황전지는 비교적 높은 이론 에너지 밀도(2600Wh/kg)와 비교 용량(1675mAh/g)을 가지고 있기 때문에 차세대 고에너지 밀도의 전기화학 에너지 저장 기술로 간주됨. 양극 폴리황화물의 관통 효과, 완만한 동력 전환 및 음극의 리튬 덴드라이트(dendrite) 성장이 존재하기 때문에 리튬황전지의 용량이 비교적 낮고, 안전 성능이 높지 않고, 순환 안정성이 떨어져 상용화 발전이 제한을 받고 있음.

따라서 경량, 고전도성, 고촉매 활성, 우수한 친(親) 리튬 위치 점, 높은 기계적 강도의 캐리어 재료를 설계하는 동시에 폴리황화물 관통과 금속 리튬 덴드라이트(dendrite)를 억제할 수 있는 리튬황 전체 전지 개발은 현재 리튬황전지 응용의 보틀넥을 돌파하는 효과적인 방법임.

연구팀은 이번 연구를 통해 리튬황전지의 문제와 주요 기술적 보틀넥에 근거하여 고성능 리튬황전지 시스템과 효율적인 나노반응기 촉매 시스템이 결합된 연구를 통해 원자 규모, 단일 원자 아연 변형의 중공 탄소구(球) 나노반응기를 개발하였음.

연구팀이 개발한 나노반응기는 높은 비표면적, 다단 공(孔)구조(multistage pore structure), 양호한 친(親) 리튬금속 표면, 우수한 촉매 활성을 보유하고 있음. 동 나노반응기를 리튬황전지의 양극과 음극에 모두 적용한 결과 양극에서 폴리황화물 흡착 촉매 변환 능력이 향상되었고, 음극의 리튬 덴드라이트(dendrite) 성장을 억제하였음.

이 전지는 700회에 달하는 장 순환 조건에서 용량 감쇠 비율이 0.015% 밖에 되지 않으며, 높은 전류 밀도에서 비교 용량이 989mAh/g 수준에 달함. 이런 중공 탄소구(球) 나노반응기 디자인은 변환 반응에 기반한 리튬황전지 등 고에너지 밀도 에너지 장치의 설계를 위해 새로운 아이디어를 제공하고 있음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Energy Materials’ ("Dual‐Functional Atomic Zinc Decorated Hollow Carbon Nanoreactors for Kinetically Accelerated Polysulfides Conversion and Dendrite Free Lithium Sulfur Batteries") 지에 게재됨.