나노기술 및 정책 정보

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중국 네이멍구(内蒙古) 민족(民族) 대학교 산하 "나노 혁신 연구원"의 류징하이(劉景海) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 플렉시블 나노 섬유막 반응기(flexible nano membrane reactor)로 리튬/황(Li/S) 화학 전환을 추진하는 연구에서 혁신성과를 취득하여 이슈가 되고 있음.

리튬/황 배터리(Li/S batteries)는 이론 에너지 밀도가 높고(2600 Wh kg-1) 원가가 저렴한 등 강점을 보유하고 있기 때문에 에너지 저장 산업 분야와 에너지 소재 분야 과학기술 인원과 산업계의 폭넓은 관심을 받고 있는 상황임.

하지만 리튬/황(Li/S) 전환 화학을 이해하고 산업화 발전을 추진하는 것은 현재 직면한 난제에 속하는데 그 원인은 주로 충전과 방전 순환 과정에서의 용량 감쇠가 신속하고 안전성 및 각 그룹이 매칭이 되지 않아 에너지 밀도가 낮아지는 문제가 발생하는데 있는 상황임.

그 중, 관건적인 과학 과제는 Li+S8→Li2Sx（1≤x≤ 8）의 화학 전환 과정 속에서 존재하는 2건의 보틀넥 과제인데, 구체적으로 하나는 산화 환원 반응 동력학이 느리고, S의 효과적인 이용 비율이 낮다는 점이며, 다른 하나는 가용성 다황화 리튬이 심각한 셔틀 효과를 나타내는 동시에 리튬 음극 간에 부반응(副反應)이 발생한다는 점임.

연구팀은 이번 연구를 통해 최초로 일종 플렉시블 높은 전도성 TiN–Ti4O7 이종 접합 코어 쉘 구조를 보유한 나노 섬유(TiNOC) 막 반응기를 전기 촉매 조절 Li/S 전환 화학에 응용하였으며, 실험 과정에서 DFT 이론 계산 방법을 이용하여 TiNOC 막 반응기가 LiPSs에 대한 전기 촉매와 화학 흡착 제한 구역을 발생시키는 메커니즘에 대한 탐색 작업을 실행하였으며, 모듈화 전극 기술을 개발하여 상용화 리튬 이온 배터리 성능을 초월하는 리튬 이온 배터리를 개발하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 나노 섬유 중의 Ti, N과 O 원자를 전기 촉매와 화학 흡착 제한 구역의 활성 위치 점으로 사용하고, 롱 체인 LiPS 전환과 위상 변화 동력학을 가속화 시키고, 셔틀 효과를 억제하였으며, 구조 형태의 인장 Li-S와 S-S키의 길이에 대한 최적 흡착을 실현하고, 전하가 Ti-S와 Li-N 키 이전에 따른 구동을 실현하고, 화학 키의 단열과 형성을 추진하고, 고체 상태의 S8, Li2S2와 Li2S 활성화 전환을 가속화시켰음.

연구팀은 이번 연구를 통해 모듈화 전극 구조의 황에 대한 이용 비율을 91.20% 수준으로 향상시켰으며, 5C 고 배율 하에서의 방전 용량을 869.10 mA h g-1 수준에 도달시켰으며, 200회에 달하는 안정적인 순환 용량 유지 비율을 92.49% 수준에 도달시켰으며, 평균 쿨롱 효율을 99.57% 수준에 도달시켰음.

높은 황 로드(12.00 mg cm-2) 하에서 2.26 mA에 달하는 출력을 실행할 때 면적 비교 용량은 14.40 mA h cm-2 수준에 달하는 것으로 나타났으며, 60회에 달하는 충전과 방전 순환 후의 용량 유지 비율은 89.30% 수준에 도달하는 것으로 나타났으며, 2개의 병렬연결 배터리는 60개의 LED 램프를 위해 69.00 mWh의 에너지를 제공하고 연속 1시간 이상 전기를 공급할 수 있는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Functional Materials’ ("Flexible Electrocatalytic Nanofiber Membrane Reactor for Lithium/Sulfur Conversion Chemistry")지에 게재됨.