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중국과학원 선전(深圳) 선진기술 연구원 산하 "재료 연구소" 소속 "광자 정보 및 에너지 소재 연구 센터" 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 신형 고성능 칼륨 이온 전지(potassium ion battery) 음극 소재(Negative electrode material) 개발에 성공하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 이번 연구를 통해 페닐에틸렌 소재는 일종 전망이 밝은 칼륨 이온 전지 음극 소재가 될 것이라는 연구 결론을 도출하고 대량의 계산 시뮬레이션 데이터에 기반 하여 페닐에틸렌 소재는 칼륨 이온 전지 음극 소재로 응용할 때 높은 이론 비교 용량과 작은 체적 팽창 특징을 보유하고 있다는 점을 입증하였음.

원가와 환경 등 분야에서 칼륨 이온 전지는 우세를 보유하고 있기 때문에 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 제일 이상적인 대체 전지 중의 하나가 될 것이며 현재 과학기술계와 산업계의 폭넓은 관심 하에 심층적인 연구개발이 추진되고 있는 상황이지만 음극 소재 면에서 칼륨은 리튬보다 큰 이온 반경을 보유하고 있기 때문에 일상적인 흑연, 실리콘과 마이크로 나노 다공성(Micro nano porous) 소재 등 음극 소재가 칼륨 속에 삽입될 때 음극 부분의 팽창이 너무 큰 원인으로 인해 칼륨 저장 용량이 너무 낮아지는 문제점이 발생하게 됨.

이런 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 하이 플럭스 계산(high flux calculation), 제1성 원리 소재 디자인에 기반 하여 페닐에틸렌을 칼륨 이온 전지 음극 소재로 사용하였음.

연구팀은 페닐에틸렌으로 구성된 다공성 혹은 층상 결정체 소재 속에 칼륨 이온을 삽입/탈착 시키고, 전체 정지 상태와 동적 상태 과정에 대한 연구를 실행하였는데 관련 대량 데이터 분석을 통해 페닐에틸렌 유형 소재가 칼륨 이온 속에 삽입될 때 이론 비교 용량이 700mAh/g 이상 수준에 도달하는 동시에 칼륨 이온을 삽입/탈착 시키는 과정에서 소재의 체적 팽창 비율이 50%보다 작은 수준에 도달한다는 점을 입증하였음.

그 외, 페닐에틸렌으로 구성된 다공성 혹은 층상 결정체 소재는 비교적 이상적인 전기전도성과 비교적 작은 오픈 회로 전압(Open circuit voltage)을 보유하고 있기 때문에 비교적 큰 전압 창(voltage window) 제공하고 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 페닐에틸렌은 흑연 등 소재에 비해 칼륨 저장과 안전성 확보 등 분야에서 더욱 뚜렷한 우세를 보유하고 있으며, 페닐에틸렌은 일종 밝은 전망을 보유하고 있는 칼륨 이온 전지 음극 소재에 속한다는 점을 입증하였음.

본 연구 성과는 ‘The Journal of Physical Chemistry C’ ("[n]Phenacenes: Promising Organic Anodes for Potassium-Ion Batteries")지에 게재됨.