나노기술 및 정책 정보

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중국 베이징(北京) 화공(化工) 대학교 쑹화이허(宋懷河) 교수 연구팀은 최근 신장(新疆) 대학교 짱쑤(張蘇) 교수 연구팀, 러시아 과학원 니콜라예프 무기화학 연구소의 Alexander V. Okotrub 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고 고밀도 그래핀 음극/실리콘 카바이드 음극 소재 개발에서 혁신성과를 취득하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 "심플 볼 밀링 방법(Simple ball milling method)"을 이용하여 그래핀 중의 결함 구조에 대한 디자인 및 조정 제어 전략을 확정하고, 동 전략을 기반으로 한 동시에 결함 카바이드를 사용하여 초고(超高) 품질과 체적 비교 용량 및 우수한 배율 성능을 보유한 나트륨 저장 소재를 개발하는데 성공하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 볼 밀링 과정에서 그래핀의 형태와 구조는 변화한다는 점을 발견하였으며, 볼 밀링 과정에서 EG의 시트 층 내부와 주변에 대량의 결함을 도입하게 되면 소재 사이즈가 동시에 감소되고, 두께 정도가 증가되고, 시트 층이 휠 수 있고 접을 수 있다는 점을 발견하였으며, 층 간 거리가 감소된다는 점을 발견하였음.

최근 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 실리콘 카바이드(silicon carbide) 음극 소재 연구에서 혁신성과를 취득하였는데 연구팀은 일종 간단한 "원 스텝 주사 열분해(one-step injection pyrolysis) 방법"을 이용하여 양파 형태의 완충 구조를 보유한 실리콘 카바이드 복합 소재를 합성하였으며, 그 중 나노의 실리콘 입자는 양파 형태의 카바이드 코팅 층 속에 패키징 되어 있으며, 이런 양파 구조는 실리콘의 체적 팽창을 효과적으로 완충시키고 실리콘 소재의 전기화학 성능을 개선시킬 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 원자재 중의 실리콘 소스와 카바이드 소스 비례에 대한 제어를 통해 4종의 다른 실리콘 함유량을 보유한 복합 소재를 개발하였는데 그 중 실리콘 함유량이 약 54%에 달하는 복합 소재(P3)는 200mA/g의 전류 밀도 하에서 400회 순환된 후에도 여전히 1391mAh/g에 달하는 비교 용량을 보유하는 것으로 나타난 동시에 배율 성능 측정 테스트 과정에서도 복합 소재는 우수한 성능을 나타냈으며, 2A/g 전류 밀도 하에서의 용량 유지 비율은 63.9%(200 mA/g에 비해) 수준에 달하는 것으로 나타났음.

연구팀이 개발한 방법은 간단하고 실행이 쉬운 특징을 보유하고 있기 때문에 실리콘 카바이드 소재의 양산을 실현하는 면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망되는 동시에 양파 형태의 구조는 우수한 안정성을 보유하고 있으며, 실리콘 소재는 충전 및 방전 과정에서 체적 팽창을 효과적으로 완충시킬 수 있으며, 높은 순환 안정성과 비교적 이상적인 배율 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 실리콘 베이스 소재 응용 및 상용화를 위한 중요한 기술 기반을 구축하였음.

본 연구 성과는 ‘Energy Storage Materials’ ("Modulating the Defects of Graphene Blocks by Ball-Milling for Ultrahigh Gravimetric and Volumetric Performance and Fast Sodium Storage") 지에 게재됨.