나노기술 및 정책 정보

• 목록

중국 베이징(北京) 대학교 선전(深圳) 대학원 산하 신소재 대학 판펑(潘鋒) 교수가 주도하는 "청정에너지 센터" 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 일상적인 MOF 소재에 기반 하여 일종 코발트 나노 결정을 로드한 질소 도핑의 포러스 카본 케이지(porous carbon cage)를 신형 리튬황 전지(Lithium-Sulfur Battery)의 숙주 소재(Host material)로 개발하는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 표면 특징에 대한 측정 테스트를 통해 이번에 개발된 신형 리튬황 전지(Lithium-Sulfur Battery)의 숙주 소재(Host material)는 우수한 전기화학 성능을 보유하고 있다는 점을 입증하였으며, XRD, SEM, TEM, XPS와 DFT 계산 등 다양한 수단을 이용하여 우수한 성능을 보유할 수 있게 된 원인을 분석하였으며, 코발트 나노 결정이 리튬 이온 확산 동력학, 다황화물 흡착 및 전환에 대해 적극적인 역할을 발휘한다는 점을 발견함으로써 신형 리튬황 전지 양극 소재 개발을 위해 새로운 기술 수단을 제공하였음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 높은 비표면적을 보유하고 있는 ZnCo-MOF로 포도당 작은 분자를 흡착시킨 다음 카본화 과정에서의 포도당으로 하여금 MOF 캐비티(cavity) 내에서 우선 카본화를 실행하도록 하고, SP2 구조를 보유하고 있는 카본 프레임워크로 하여금 코발트 금속을 분리시키고 전기 전도성 역할 발휘를 강화할 수 있도록 하였음.

동시에 연구팀은 적당한 황 로드 수량을 통해 ~87 wt%의 활성 황 소재를 카본 케이지 표면이 아닌 카본 케이지 캐비티 내에 로드시키고, 황과 카본 케이지 프레임워크로 하여금 강한 상호 역할을 보유할 수 있도록 하였음.

연구팀이 이번 연구를 통해 개발한 높은 분산 특성을 보유하고 있는 코발트 나노 결정을 로드한 질소 도핑의 포러스 카본 케이지는 황의 활성 소재 및 다황화물 중간체에 대해 멀티 기능 효과를 발휘하는 것으로 타나났는데 구체적으로 높은 전기 전도성, 높은 황 로드 수량, 서서한 응력, 가속화 된 리튬 이온 확산 동력학, 촉매 다황화물의 신속한 전환, 다황물 중간체의 초강(超强) 흡착 역할 발휘 등 효과를 발휘하는 것으로 나타났으며, 이런 역할 발휘는 리튬황 전지의 높은 배율 성능과 장 순환 수명을 보장할 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 다양한 연구를 통해 그래핀과 질소 도핑 구조를 비교 분석하고 프레임워크에 로드한 높은 분산 정도의 코발트 나노 결정은 리튬 이온의 확산과 다황화물의 산화 환원을 효과적으로 추진할 뿐만 아니라 다황화물의 흡수를 한층 더 강화시킬 수 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 전이금속을 리튬황 전지 속의 다황물의 고성능 촉매제로 사용할 수 있도록 하는 중요한 과학적 근거를 제공하여 그 의미가 주목됨.

본 연구 성과는 ‘Advanced Energy Materials’ ("Highly Dispersed Cobalt Clusters in Nitrogen‐Doped Porous Carbon Enable Multiple Effects for High‐Performance Li–S Battery")지에 게재됨.