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중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 "2차원 소재 및 에너지 디바이스 연구 그룹" 우중솨이(吳忠帥) 연구원 연구팀은 2차원 템플릿(template) 이온 흡착 방법을 개발하고 동 방법을 이용하여 2차원 비정질(amorphous) V2O5/그래핀 이종접합 신소재를 개발한 동시에 효율적인 이온-전자 협동 전송을 실현함. 안전성이 높고 원가가 저렴하면서 성능이 우수한 수계 아연 이온 전지(water zinc-ion battery)를 개발하는데 성공한 것임.

수계 아연 이온 전지(water zinc-ion battery)는 안전성이 높고, 아연 매장량이 높아 원가를 낮출 수 있기 때문에 많은 관심을 받고 있으나, 아연 이온 전지에서 용량이 큰 양극 소재 개발은 당면한 난제임.

현재 바나듐 베이스 소재는 다양한 원자가 이온 반응 메커니즘을 보이며 높은 용량을 가지고 있기 때문에 전망이 밝은 양극 소재로 평가 받고 있지만 반응 활성점이 적고, 전자 전기 전도량이 적으며, 체적이 팽창되는 등의 문제가 남아 있는 것임.

동 과제를 해결하기 위해 연구팀은 2차원 템플릿 이온 흡착 방법을 개발하고 비정질 V2O5를 전기 전도도가 높은 그래핀 표면에 균일하게 성장시켜 초박(超薄) V2O5/그래핀(A-V2O5/G) 2차원 이종접합 소재를 개발함으로써 비정질 V2O5 자체의 풍부한 활성점, 이온 확산 루트가 짧은 강점, 그래핀의 높은 전기 전도성, 양호한 기계 안정성 등의 강점과 결합하여 효율적인 이온-전자 협동 전송을 실현한 것임. 이로써 용량이 크고, 수명이 길며, 안정성이 높은 수계 아연 이온 전지(water zinc-ion battery)를 개발하였는데 0.1A/g 전류 밀도에서 동 전지는 489mAh/g에 달하는 높은 용량을 보이고 있어 지금까지 보고된 아연 이온 전지의 수준을 크게 넘어서는 것으로 나타났음.

동시에 동 전지는 우수한 배율 특성을 나타냈으며, 70A/g에 달하는 대전류에서도 123mAh/g의 용량을 유지할 수 있으며, V2O5/그래핀 이종 접합을 양극으로 사용하여 평면 마이크로 형태의 아연 이온 전지를 개발하여 웨어러블 디바이스에 폭넓게 응용할 수 있을 것으로 기대됨.

연구팀은 이번 연구를 통해 효율적인 전자-이온 협동 증강의 2차원 이종접합 소재를 개발할 수 있는 새로운 방법을 제시하였으며, 효율적인 전기화학 에너지 디바이스 개발에 적용할 새로운 아이디어를 제공함.

본 연구 성과는 ‘Advanced Energy Materials’ ("2D Amorphous V2O5/Graphene Heterostructures for High‐Safety Aqueous Zn‐Ion Batteries with Unprecedented Capacity and Ultrahigh Rate Capability")지에 게재됨.