나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 상하이(上海)세라믹연구소 산하 "선진소재 및 신에너지응용연구팀"은 최근 관련 연구를 실행하는 과정에서 높은 비교 전기 용량(capacitance) 및 적은 층의 다공성 탄소전극 소재에 대한 매크로 제조 방법, 고속 에너지저장 및 방출의 높은 비교 용량을 보유한 흑색 이산화티타늄 전극 소재, 초고(超高) 배율 전력 방식의 에너지저장 나노공극 산화니오븀 베이스 단결정 개발에서 혁신성과를 취득하였으며, "전기 용량+배터리" 융합 에너지저장 강점을 보유하고 있고 높은 에너지와 고출력 에너지저장 디바이스 성능 발휘를 지원할 수 있도록 하는 면에서 기술적 돌파를 이루었음.

일상적인 금속산화물체(體) 위상의 에너지저장은 고출력 에너지저장을 실현하기 어려운 문제점에 직면하여 있는데 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 양자 전기 용량 개념을 이용하여 다공성/나노 다공성 스케일의 표면층 양자 극화(極化) 전기 용량에 대한 연구를 실행하고, 밀도 범함수 계산과 결합한 상태 밀도분포에 대한 연구를 실행하여 활성 질소도핑의 이산화티타늄으로 하여금 양성자 커플링 전자 반응을 보유할 수 있도록 하여 전기 저장을 실현하게 되는 새로운 메커니즘을 보유하고 있다는 점을 발견하였음.

연구팀은 독자적으로 개발한 "저온환원+원소도핑" 기술로 높은 전기 전도성을 보유한 흑색 산화티타늄을 제조하는 방법을 개발하고, 동 방법을 활용하여 9.29 at%의 높은 농도를 보유한 도핑 흑색 TiO2-x:N 비교 전기 용량을 750 F/g 수준에 도달시키고, 와이드 밴드갭 반도체(Wide band gap semiconductor) 이산화티타늄을 슈퍼 커패시터 전극에 응용할 수 없다는 전통적인 이해를 개변시켰음.

리튬전지 음극소재 배율 성능이 떨어지는 문제점에 근거하여 연구팀은 "이온+전자" 고속 이전이 가능한 "채널+단결정"이라는 다공성 단결정 구조를 디자인 하고, 체(體) 위상과 표면의 높은 에너지 저장과 고속 충전, 방전의 우수한 특성을 융합시키는데 성공하였음.

연구팀은 자연계의 열 액체 부식 변화를 시뮬레이션 하여 원자 스케일의 마이크로 용해 부식 방법을 발명한 동시에 고온에서의 낮은 산소 분리 압력이 산소 결함을 유도하는 방식을 결합하여 높은 비표면적을 보유한 나노 다공성 단결정인 흑색 Nb2O5-x를 개발하였는데 리튬 저장 비교 용량은 253 mAh/g 수준에 도달하고 전기 용량 방식의 용량은 87% 수준에 도달하고 극히 높은 배율 성능(187 mAh/g@25C@4000회 순환, 70mAh/g@250C)을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

동시에 비교 용량과 배율 특성은 산화물 성능의 최적 상태인 "제로 응변" Li4Ti5O12 소재를 대폭 초월하는 것으로 나타났으며, 나노 다공성 단결정 구조는 융합 체(體) 위상과 표면의 높은 에너지 저장과 고속 충전, 방전의 우수한 특성을 보유하고 있다는 점이 검증되었으며, 매크로 제조를 실현한 동시에 초고(超高) 배율 에너지 저장 디바이스에 성공적으로 응용되고, 200C 초고(超高) 배율 저장 방전과 139 Wh/kg 수준에 달하는 높은 에너지 밀도 보유를 실현한 상황임.

본 연구 성과는 ‘ACS Appl. Mater. Interfaces’ ("Boron-Induced Nitrogen Fixation in 3D Carbon Materials for Supercapacitors") 지에 게재됨.