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중국과학원 닝보(寧波) 재료기술 및 공정 연구소 연구팀이 공동연구를 통해 제1원리 계산과 실험을 결합하는 방식을 통해 혁신적으로 FeS₂에 대해 촉매 역할을 발휘하고 있는 전이금속(Cu, Co와 Ni)을 도입하여 배터리 질량 에너지 밀도에 영향을 주지 않는 전제 하에서 FeS₂형태 및 전기 화학 성능에 대한 영향 대비를 통해 Co가 FeS₂성능에 대해 최적화 역할을 발휘하는데 성공함.

연구팀이 이번 연구개발을 실행하는 과정에서 취득한 Co_0.1Fe_0.9S₂는 최소 입자 사이즈를 보유하고 있는데 이런 상황은 재료의 비표면적을 향상시키는데 유리하고 순환 과정에서의 체적 변화를 완화시키고 전기화학 반응 과정에서 Li+의 전송 루트를 감소시킬 수 있는 것으로 나타났음. 연구팀이 실행한 전기 화학 테스트 결과에 따르면, 전기화학 반응은 신속히 진행되며, 특히 Co의 가입은 동 반응 과정에 대해 뚜렷한 추진 역할을 발휘하며, FeS₂에 기반을 둔 고체 상태 배터리로 하여금 500m·Ag^-1의 전류 밀도 하에서 100회 순환한 후 가역 용량을 197.1mAh·g^-1수준으로부터 543.5mAh·g^-1수준까지 향상시키며, 이러한 향상 효과는 전이금속 Cu와 Ni 수준을 대폭 초월하는 것으로 나타났음. 연구팀은 한 단계 더 나아가 밀도 범함수이론 계산 방법을 통해 Co 도핑 후 속도결정 단계(rate determining step) 에너지 장벽(energy barrier)이 2.09eV 수준으로부터 1.86eV 수준까지 감소된다는 점을 입증하였음. DOS 결과에 따르면, d 궤도 충전 역할로 인해 한 개 d 전자의 Co가 증가하게 되면 페르미 레벨(fermi level) 부근 상태 밀도(state density)가 향상되어 전기화학 활성을 향상시키는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ACS Nano 에 게재됨.