나노기술 및 정책 정보

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모바일 전자제품, 대규모 에너지저장 및 전기자동차가 빠르게 발전함에 따라 높은 에너지밀도, 큰 출력밀도, 긴 수명, 높은 안전성 리튬이온 및 후(後) 리튬이온전지는 에너지저장 분야 연구 이슈가 되고 있음.

고 용량, 고 배율 및 높은 안정성을 가진 전극소재 개발은 높은 에너지밀도, 대 출력밀도, 장 수명, 높은 안전성 리튬이온 및 후(後) 리튬이온전지 개발 및 응용을 실현하는 중요한 루트가 되고 있음.

중국과학원 산하 "국가나노과학센터"의 리샹룽(李祥龍), 즈린졔(智林杰) 연구원 연구팀은 최근 원가가 저렴한 실리카 나노입자를 기반으로 하고 마그네슘 열환원기술을 개선하여 자수 구(球) 형태를 본 뜬 실리신(silicene) 소재 양산을 실현하여 리튬이온전지에 응용하였는데 우수한 종합 리튬저장 성능을 나타낸다는 점을 입증하였음.

연구팀은 일종의 "식피식(植皮式)" 2차원 공유원자가 패키지 전략을 제시하고 자수 구(球) 형태의 실리신(silicene)에 기반하여 실리콘 산소 탄소 결합기 자수 구(球) 상태의 공유원자가 디엔(diene)을 개발하였음. 우수한 종합 리튬 저장성능을 나타냈으며, 800 mA/g의 전류밀도에서 무게와 체적 비교 용량은 각각 2646 mAh/g과 2350 mAh/cm3 수준에 이르는 것으로 나타났음. 2000 mA/g 전류밀도에서 500회 순환을 거친 후 무게 비교 용량은 여전히 1500 mAh/g 수준에 도달하였음. 20000 mA/g의 전류밀도에서도 무게 비교 용량은 여전히 810 mAh/g 수준에 달하고, 체적 비교 용량을 비교해 보면 비(非) 공유 원자가 패키지 및 패키지를 하지 않은 소재에 비해 각각 1358%와 1442% 더 높은 것으로 나타났음.

전체 디바이스를 계산해 보면, 탄소 실리콘 소재에 기반한 전체 전지 에너지밀도는 흑연에 기반한 전체 전지 에너지밀도보다 40%~60% 더 높은 것으로 나타났으며, 기존의 상용화 리튬이온전지에 비해 에너지 및 에너지 밀도는 모두 40% 이상이나 더 높은 것으로 나타났음.

연구팀은 관련 연구를 통해 2차원 공유 원자가 패키지 전략은 실리콘 체적 팽창을 효과적으로 완화시키는 상황에서 전자/리튬이온의 효율적인 혼합 전송 루트를 제공할 뿐만 아니라 소재 인터페이스를 변혁하고, 전자/리튬이온의 효율적이고 안정적인 전송을 보장한다는 점을 입증하였음.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Stable high-capacity and high-rate silicon-based lithium battery anodes upon two-dimensional covalent encapsulation") 지에 게재됨.