나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소 장타오(張濤) 연구원 연구팀은 탄소 프레임 워크와 초박(超薄) 비(非) 탄소 피부 층을 결합시켜 안정적인 탄소 기반 복합 양극 캐리어 소재를 제조하는 아이디어를 제시함.

연구팀은 다중 벽 탄소 나노튜브, 금속 티타늄 분말과 요오드를 원자재로 사용하고, 기상 외연 성장 방법을 통해 다중 벽 탄소 나노튜브 표면 sp2 하이브리드 탄소 층의 반응 정도를 제어하고, 외부에서 내부 방향으로 탄소 나노튜브 벽을 점차 TiC 표면층으로 전환시키는데 성공함.

연구팀은 반응 온도와 시간 조절을 통해 표면 층 두께를 몇 나노에서 10나노 범위 내로 정밀 제어할 수 있다는 점을 발견하였으며, 동 방법은 보편적인 적용 특성을 보유하고 있기 때문에 그래핀과 전기 전도 탄소 블랙(Conductive carbon black) 등에 응용할 수 있는 탄소 소재를 확장시킬 수 있다는 점을 입증함.

이런 탄소/비(非) 탄소 복합 소재는 리튬 산소 전지 양극으로 하여금 O2-의 안정성을 향상시키고, 부산물인 Li2CO3 형성을 감소시키며, 복합 탑재체에 부착한 Ru 나노 입자를 촉매로 사용하여 전지로 하여금 양호한 순환 안정성을 띨 수 있도록 하는 것으로 나타났음.

또한, 연구팀은 리튬 산소 전지 공기 양극 탑재체 소재 디자인 및 안정성 연구 분야에서 다양한 성과를 취득하였는데, 예를 들면 원천이 폭넓은 식물 인피 조직(Phloem tissue)을 공기 양극으로 선정하고 방전 과정에서의 전환을 통해 등급 분류 다공성 마이크로 체관(Sieve tube) 지름과 과산화리튬 사이즈 비례를 6:1 수준에 도달시키면 과산화리튬에 충족한 저장 공간을 제공하고 순환 안정성을 향상시킬 수 있다는 점을 입증하였음.

그 외, 연구팀은 무(無) 산소화 전략을 제시하고 탄소 양극 표면에 초박(超薄) 불소화 리튬 표면층을 구축하고 리튬 산소 전지의 순환 안정성을 향상시켰는데 이런 방법은 일상적인 리튬 산소 전지 양극 분리 보호 방법과 달리 전지 순환 측정 테스트 전에 무 산소화 전기화학 처리를 통해 양극과 음극 표면에 동시에 불소화 리튬을 대량 함유한 보호 층을 형성시키는 방법에 속하는 것으로 나타났음.

전지가 작업할 때 양극 측면 초박(超薄) 보호층은 과산화 파생물(Superoxide radical)이 탄소 소재에 대한 공격을 효과적으로 억제시키고, 리튬 음극 측면의 비교적 두꺼운 보호 층은 전해질이 리튬 음극을 부식시키는 상황을 효과적으로 차단시키는 것으로 나타났는데 이런 원 위치 보호 방법을 사용하면 리튬 산소 전지의 순환 안정성을 대폭 향상시킬 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 최초로 에너지 저장 전지 분야에서 일상적으로 사용하는 화학합성 기술을 리튬 산소 전지에 결합시켜 활성 소재 안정성을 향상시키는데 성공하였음.

본 연구 성과는 ‘Energy Storage Materials’ ("Inward growth of superthin TiC skin on carbon nanotube framework as stable cathode support for Li-O2 bateries")지에 게재됨.