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중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 “촉매 기초 국가 중점 실험실” 소속 "2차원 재료 화학 및 에너지 응용 연구 그룹" 우중솨이(吳忠帥) 연구원 연구팀은 중국과학기술대학교 위옌(余彦) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 3차원의 플렉시블하고 높은 전기 전도성을 가진 친 알칼리성 금속 MXene/멜라민 다공성 에어로젤(melamine porous aerosol) 신소재를 개발함. 알칼리 금속과 3차원 프레임 캐리어 간의 표면 및 인터페이스 화학에 대한 효과적인 조정 제어로, 고배율, 고용량, 무(無) 덴드라이트(dendrite) 금속(리튬, 나트륨, 칼륨) 음극을 개발하고 높은 비교 에너지, 장 수명 알칼리 금속 배터리를 개발하였음.

알칼리 금속은 높은 이론 비교 용량(Li：3680 mAh g-1；Na：1165 mAh g-1；K：687 mAh g-1)과 낮은 산화 환원 포텐셜(potential)(Li：-3.04 V；Na：-2.71 V；K：-2.93 V vs. SHE)을 보유하고 있기 때문에 차세대 고 에너지 밀도 배터리의 이상적인 음극 소재로 평가 받고 있으며, 높은 이론 비교 용량과 낮은 산화 환원 포텐셜을 보유한 알칼리 금속은 제어가 불가능한 덴드라이트(dendrite) 성장 및 충전과 방전 과정에서의 알칼리 금속 체적 팽창이 큰 등 문제를 해결하고, 알칼리 금속 순환 성능이 떨어지고 안전 성능이 낮고, 알칼리 금속 음극이 전체 배터리 분야에서의 실제 응용을 제한하는 문제를 해결함.

때문에 높은 기계 강도와 가볍고 플렉시블한 특성을 가지고 있는 전도성 프레임에 높은 전류 밀도와 고용량 조건에서 작업하여도 덴드라이트(dendrite)가 생기지 않는 알칼리 금속 음극을 개발하는 것은 현재 알칼리 금속 배터리 응용의 보틀넥 문제를 해결하는 효과적인 방법이 되고 있음.

연구팀은 가볍고 플렉시블 한 3차원 MXene/멜라민 다공성 발포 소재를 개발하였는데 동 소재는 양호한 친 알칼리 금속 표면, 신속한 전자와 이온 전송 루트 및 우수한 기계적 강도를 가지고 있기 때문에 알칼리 금속(리튬, 나트륨, 칼륨)을 캐리어로 사용하여 알칼리 금속 음극의 덴드라이트(dendrite) 성장과 체적 변화를 효과적으로 억제하였음.

연구팀이 개발한 복합 전극은 리튬 음극으로 하여금 50mAcm-2에 달하는 높은 전류 밀도와 50 mAh cm-2 면(面) 용량을 실현할 수 있도록 하는 동시에 나트륨 음극으로 하여금 20 mA cm-2에 달하는 고배율과 20 mAh cm-2에 달하는 높은 면(面) 용량을 실현할 수 있도록 하였음.

연구팀은 알칼리 금속 내부의 다중 물리 필드 커플링 시뮬레이션 계산을 통해 동 복합 전극은 고체 액체 위상 인터페이스 농도 분포의 균일성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며 인터페이스 반응 전류 밀도를 낮춰 알칼리 금속 이온이 MXene 프레임 상에서 균일하게 침적할 수 있도록 하여 덴드라이트(dendrite) 생성을 억제할 수 있도록 한다는 점을 발견하였음.

연구팀은 금속 음극을 리튬 황, 나트륨/인산 바나듐 나트륨 전체 전지에 응용하여 전체 전지의 순환 수명과 배율 성능을 향상시켰음.

연구팀은 이번 연구에서 플렉시블 특성, 높은 전도성을 보유한 친 알칼리 금속의 3차원 다공성 전극 구조를 디자인 하는데 성공함으로써 높은 에너지 밀도, 장 순환 수명을 보이는 알칼리 금속 전지 개발을 위해 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ ("3D Flexible, Conductive, and Recyclable Ti3C2Tx MXene-Melamine Foam for High-Areal-Capacity and Long-Lifetime Alkali-Metal Anode") 지에 게재됨.