나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 "2차원 소재 및 에너지 디바이스 연구 그룹" 소속 우중솨이(吳忠帥) 연구원 연구팀은 기존 연구개발 성과를 기반으로 하여 최근 MXene 베이스 나노 구조를 보유하고 있는 고 성능 금속(리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 아연, 칼슘) 이온 전지를 개발하고 고 성능 금속 이온 전지 미래 발전 방향을 제시하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 MXene 소재가 금속 이온 전지 속에서 활성 전극 소재 역할, 전기 전도 탑재체 역할과 집류체(Collecting fluid) 역할이라는 3개 중요한 역할을 발휘한다는 점을 입증하였으며, MXene 베이스의 다른 차원(0차원, 1차원, 2차원) 나노 활성 전극 소재 및 세 가지 복합 모델을 개발하였으며, 연구팀이 개발한 세 가지 복합 모델은 구체적으로 부하형, 커버형, 샌드위치형 모델이 포함되어 있음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 "다른 MXene 복합 소재는 다른 종류의 금속 이온 전지 속에서의 강점과 단점 및 구성 효과와 관련이 있다"는 연구결론을 도출하였으며, MXene와 활성 소재의 강한 커플링 복합 인터페이스 구축 및 협동 커플링은 전지 성능을 증강시키는 내재적인 메커니즘이 되고 있다는 연구 결론을 도출하였음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 MXene 베이스 나노 구조가 고성능 금속 이온 전지 응용 분야에서 직면한 도전과 발전 기회를 분석하였으며, 관련 솔루션과 미래 발전 방향을 제시하였음.

최근 년 간 연구팀은 2차원 소재 MXene의 제어 가능 제조, 구조 디자인 및 효율적인 전기화학 에너지 저장 디바이스 개발 분야에서 혁신적 성과를 취득하였으며, 진동 알카리화, 산화-알카리화 전략을 발전시켰으며, 우수한 나트륨 저장 혹은 칼륨 저장 성능을 보유한 MXene 나노벨트(Nanobelt) 및 파생된 티탄산 나트륨 혹은 티탄산 칼륨 나노벨트를 제어 가능하게 제조하는데 성공하였음.

연구팀은 MXene에서 파생된 티탄산 나트륨을 음극으로 사용하여 고성능 나트륨 이온 마이크로 형태의 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 개발하였으며, 전체 MXene 베이스 통합화 황 양극을 개발하고, 고 용량의 가지가 없는 결정(branchless crystal)의 3차원 MXene/금속 리튬 복합 음극을 개발하였음.

연구팀은 MXene를 음극으로 사용하여 수소 이온 "로킹 체어(Rocking chair)" 방식의 슈퍼 커패시터를 개발하였으며, 이온 액체의 사전 삽입 층 MXene 필름을 전극으로 사용하여 높은 비교 에너지를 보유하고 있는 마이크로 형태의 슈퍼 커패시터를 개발하는데 성공하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Functional Materials’ ("Recent Advances and Promise of MXene based Nanostructures for High-Performance Metal Ion Batteries")지에 게재됨.