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중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 "2차원 소재 및 에너지 디바이스 연구 그룹"의 우쭝솨이(吳忠帥) 연구원 연구팀은 동 연구소 산하 "저탄소 촉매 및 공정 연구부" 류중민(劉中民), 예마오(葉茂) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하고, 일종의 2차원 메조포러스(mesoporous) 이종 접합 구조를 보유하고 이중 기능을 발휘하는 리튬 이온 재 배분 신전략을 제정하여 높은 안정성, 높은 용량을 보유한 동시에 가지가 없는 크리스털(branchless crystal) 금속 리튬 양극을 개발하는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

글로벌 화학석유 에너지 위기가 지속적으로 심각해짐에 따라 과학자들은 청정에너지 개발에 대해 더욱 주목하고 있으며 폭넓은 연구개발을 실행하고 있는데 그 중 높은 에너지 밀도를 보유하고 있는 전지 개발은 장시간 운행이 가능한 전기 자동차 발전을 위해 청정에너지를 제공하는 동시에 환경 친화적인 교통수단을 제공하는 중요한 솔루션 중의 하나가 되고 있으며 리튬 금속 전지가 사용하고 있는 금속 리튬 양극은 높은 이론 비교 용량(3,860mAh/g)과 낮은 산화환원 전압(-3.04 V vs. SHE)을 보유하고 있기 때문에 리튬 금속 전지는 차세대 고 에너지 전지로 평가 받고 있는 상황임.

하지만 금속 리튬 양극은 심각한 리튬 가지 결정체가 존재하고 있는 동시에 순환 성능이 떨어지기 때문에 쿨롱 효율(Coulombic efficiency)이 낮고 안전성 문제가 존재하기 때문에 리륨 금속 전지의 폭넓은 응용에 심각한 영향을 끼치고 있기 때문에 "어떻게 하면 합리적인 구조를 디자인 하고 리튬 이온의 침적 행위를 조정 제어하여 균일한 리튬 침적으로 실현하는 동시에 순환 수명을 연장시킬 것인가"라는 과제는 현재 리튬 금속 전지 응용 연구에서 직면한 주요 보틀넥 중의 하나가 되고 있는 상황임.

이런 난제를 해결하기 위해 연구팀은 일종 2차원 메조포러스(mesoporous) 이종 접합 구조를 보유하고 이중 기능을 발휘하는 리튬 이온 재 배분 신전략을 제정하고 2차원 메조포러스 폴리 피롤(Polypyrrole)-산화 그래핀 이종 접합 신 재료를 디자인하고 개발하였으며, 2차원 메조포러스 폴리 피롤 층의 리튬 이온의 순서적인 채널과 결함이 있는 산화 그래핀의 나노체(nanometer screen) 협동 역할을 통해 균일한 리튬 이온 분포를 실현하고, 전류 밀도를 효과적으로 낮춤으로써 높은 안정성과 높은 용량을 보유한 동시에 가지가 없는 결정체를 보유하고 있는 리튬 금속 양극을 개발하는데 성공하였음.

연구팀은 관련 분석을 통해 리튬 대칭 전지(mPPy-GO-Li//mPPy-GO-Li)가 1,000회에 달하는 순환(2,000h) 과정에서도 높은 쿨롱 효율(Coulombic efficiency)(98%)을 보유하고 있으며, 높은 전류 밀도(10Ma/cm2) 하에서도 평탄한 전압(70mV) 곡선을 나타내는 동시에 리튬 가지가 없는 결정체를 생성시킬 수 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 전기 필드 시뮬레이션 계산 지원을 제공하였으며 관련 2차원 이종 접합 구조를 이용하여 불안정적인 전류 파동에 대한 효과적인 균일화를 실현하였으며, 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 관련 양극을 이용하여 조립한 리튬/코발트 산 리튬 전체 전지는 우수한 배율성과 순환 안정성을 나타냈음.

연구팀은 이번 연구를 통해 안전성이 좋고, 비교 에너지 수준이 높고, 수명이 긴 리튬 금속 전지 개발에 필요한 2차원 이종접합 구조 구축을 위해 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Angew. Chem. Int. Ed.’ ("Two‐Dimensional Mesoporous Polypyrrole‐Graphene Oxide Heterostructure as Dual‐Functional Ion Redistributor for Dendrite‐free Lithium Metal Anodes")지에 게재됨.