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중국 샤먼(厦門) 대학교 화학 화공대 양융(楊勇) 교수 연구팀은 충전이 가능한 나트륨 금속 전극의 고체 핵자기 공명 기술 연구에서 중대성과를 취득함.

나트륨 원소 자원은 풍부한 동시에 원가가 비교적 낮기 때문에 에너지저장 전지 분야에 응용될 수 있을 것으로 전망되며, 최근 년 간 안전하고 수명이 긴 나트륨 베이스 전지는 과학자들의 큰 관심을 받고 있음.

나트륨 금속 음극은 1165 mA h g-1에 달하는 높은 이론 비교 용량과 –2.71 V에 달하는 낮은 작업 전압을 보이고 있는데 이런 특징은 나트륨 금속 음극으로 하여금 나트륨 베이스 전지의 이상적인 음극 소재로 될 수 있게끔 함.

충전 및 방전 과정에서 나트륨 금속 마이크로 구조(SMSs, 즉 수지정상 및 이끼 모양의 Na 금속)를 쉽게 생성시키는 동시에 전극 표면에 고체 전해질 인터페이스(SEI) 층을 퇴적시키기 때문에 실제 응용을 제한하고 있는 상황임.

나트륨 금속 마이크로 구조의 성장은 시간에 따라 진화되기 때문에 일상적인 비(非) 원 위치 분석 방법으로는 표면 특징 분석을 수행하기 어려워 일종의 원 위치 표면 특징 기술을 개발하여 나트륨 금속 마이크로 구조 성장과 진화 과정에 대한 정량(定量) 연구를 하고 나트륨 금속 전기화학 용해-침적 과정에 끼치는 영향을 이해해야 함.

양융(楊勇) 교수 연구팀은 원 위치 23Na 자기공명이미징(MRI)과 원 위치 핵자기공명(Operando NMR) 기술을 개발하여 나트륨 금속 마이크로 구조 형성과 진화를 위한 공간 해상도와 정량(定量)적 인지(認知)를 제공하였음.

연구팀은 관련 실험을 통해 지속적으로 성장하는 SMSs는 우선 침적 과전위 선형 증가 상황을 발생시키게 되는데 0.15 V의 전이 전압 수준에 도달할 때까지 증가하게 된다는 점을 입증하였음.

0.15 V의 전이전압 수준에 도달할 때 전해질의 강한 화학분해를 발생시키게 되어 이끼 형태의 SMSs와 전지의 신속 효력 상실 상황을 발생시키게 되는 동시에 23Na 고해상도 마각(魔角) 회전 핵자기 결과도 나트륨 금속 표면 SEI 속에 NaH가 존재한다는 점을 입증하고 있음.

최근 년 간 양융(楊勇) 교수 연구팀은 선진적인 고체 핵자기 기술을 개발하여 전기화학 소재 연구에 응용한 상황이며, 연구팀은 합리적인 소재 구조 디자인과 체(體) 위상/인터페이스에 대한 조정 제어를 통한 동시에 고 해상도 마각(魔角) 회전 고체 핵자기 기술을 이용하여 리튬 이온 양극 소재, 나트륨 이온 양극 소재에 대한 심층적인 연구를 실행하고 다양한 혁신 성과를 취득한 상황임.

본 연구 성과는 ‘Nature Nanotechnology’ ("Visualizing the growth process of sodium microstructures in sodium batteries by in-situ 23Na MRI and NMR spectroscopy") 지에 게재됨.