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탄소 소재를 전극재로 사용하는 에너지 저장 장치는 초고(超高) 에너지 저장 용량, 우수한 화학 안정성, 저렴한 원가 및 환경 친화적인 강점을 보유하고 있기 때문에 에너지 저장 분야에서 잠재적인 발전 가능성을 가지고 있음.

특히 그래파인(graphdiyne), 그래핀 등 2차원 탄소 소재는 고도의 공액 탄소 프레임워크, 2차원 층상 평면 구조, 균일 분포의 공극 및 비교적 큰 공도 구조를 가지고 있기 때문에 에너지 저장 이온을 위해 풍부한 흡착 위치 점과 원활한 이동 루트를 제공하며 에너지 저장 분야에서 폭넓은 응용 전망을 보이고 있음.

중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정(過程) 연구소 "탄소 베이스 소재 및 에너지 응용 연구 그룹"은 최근 전구체에 대한 컨트롤, 화학 결합, 열처리 등 방식을 통해 특정 기능 그룹을 도입하여 탄소 소재 에너지 갭, 전자 이동 비율, 층 간격, 결정체 퇴적 방식과 비표면적 등 이온 저장 혹은 이동 성능에 영향을 끼치는 내재적 특성에 대한 정밀 조정 제어를 실행하여 전기화학 성능이 더욱 이상적인 에너지 저장 소재를 개발하는데 성공함.

연구팀은 그래파인(graphdiyne)을 예(例)로 한 동시에 화학 수정을 거친 전구체를 사용하고, 교차 커플링 반응을 통해 수소, 메틸과 시안기 등 다양한 기능 그룹 수정을 거친 그래파인 파생물을 합성하였음.

다른 기능 그룹의 도입은 에너지 갭, 층 간격과 미시 구조를 포함한 특성의 뚜렷한 변화를 발생시키고 리튬 이온 전지의 에너지 저장 용량에 명확한 영향을 끼치는 것으로 나타났음.

그래파인(graphdiyne), 수소 수정을 거친 그래파인과 메틸 수정을 거친 그래파인에 비해 시안기 수정을 거친 그래파인의 전기화학 리튬 저장 성능이 뚜렷이 향상되는 것으로 나타났음. 전류 밀도가 50 mAg-1 수준에 도달할 때 가역 용량은 1612 mAhg-1 수준에 달할 뿐만 아니라 시안기 수정을 거친 그래파인은 독특한 구조를 보유하고 있기 때문에 리튬 이온이 면(面) 내와 면(面) 외의 확산과 전송에 더욱 유리하고 매우 이상적인 배율성능과 초고(超高) 안정 성능을 부여하는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 탄소 소재의 전자 구조와 성능을 정밀 조절하는 효과적인 전략을 제공하였으며, 그래파인 범주의 리튬 저장 성능에 대한 연구 및 신형 탄소 에너지 저장 소재에 대한 탐색을 위해 이론 근거와 실험에 필요한 가이드라인을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Angewandte chemie’ ("Tuning the Properties of Graphdiyne by Introducing Electron‐Withdrawing/Donating Groups") 지에 게재됨.