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중국과학원 선전(深圳) 선진기술연구원 산하 "선전(深圳) 선진집적기술연구소" 소속 "기능박막 소재연구센터"의 탕융빙(唐永炳) 연구원 연구팀은 충칭(重慶) 이공(理工) 대학교 저우즈밍(周志明) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고, 원 위치 2단계 활성화 전략을 채택하여 분급(分級) 다공성 탄소 양극소재를 개발하였는데 동 소재에 기반한 수계(水系) 아연이온 하이브리드 배터리는 우수한 전기화학 에너지저장 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

리튬 자원량은 제한되어 있을 뿐만 아니라 분포가 불균형적인데 이런 상황은 저장량이 풍부한 비(非) 리튬 알칼리(토)금속이온에 기반한 신형 에너지저장 디바이스에 대한 연구를 추진하고 있는 상황임.

수계(水系) 전해질의 높은 안전성, 낮은 원가 및 아연이 보유하고 있는 환경 친화성, 물 용액과의 양호한 호환성, 높은 이론 비교용량 등 강점 때문에 수계(水系) 아연이온 하이브리드화 에너지저장 디바이스 개발은 높은 관심을 받고 있는 상황임.

하지만 활성 탄소 양극소재의 비교용량이 비교적 낮기 때문에 수계(水系) 아연이온 하이브리드화 에너지저장 디바이스 발전은 제한을 받고 있는 상황임.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 활성 탄소소재의 이온을 저장하고 있는 능력은 다공성 구조에 의존하고 있다는 점에 근거하여 일종 원 위치 2단계 활성화 전략을 제시하고, 일종 합리적인 마이크로 세공(Micropore)/메조포러스(mesoporous) 공경(aperture) 분포를 보유한 분급(分級) 다공성 탄소 소재(HPAC)를 디자인하였음.

연구팀이 제시한 원 위치 2단계 활성화 전략은 포러스 구조 및 공경 분포를 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라 구조 안정성을 강화시키고 초고(超高) 비표면적을 보유할 수 있도록 하기 때문에 아연 음극을 수계(水系) 아연이온 하이브리드 에너지저장 디바이스로 조립하여 높은 비교용량(231 mAh g-1@0.5A g-1), 우수한 배율 성능(119 mAh g-1@20 A g-1) 및 장 순환수명(18,000회 순환용량 유지 비율은 ~70% 수준에 달함)을 보유할 수 있도록 함.

연구팀은 이번 연구개발을 통해 개발 환경이 친화적이고, 원가가 저렴하고, 안전성이 높은 에너지저장 디바이스 개발에 필요한 중요한 기술 기반을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Small’ ("In Situ Two-Step Activation Strategy Boosting Hierarchical Porous Carbon Cathode for an Aqueous Zn-Based Hybrid Energy Storage Device with High Capacity and Ultra-Long Cycling Life") 지에 게재됨.