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중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정(過程) 연구소 산하 탄소 기반 재료 및 에너지 응용 연구팀이 그래피딘(graphdiyne) 탄소 재료에 대한 분자 디자인을 실행하여 아세틸렌(acetylenic) 결합의 수량 제어를 실행하고 이런 제어를 통해 더욱 많은 나트륨 저장 위치와 전송 루트를 증가하여 더욱 우수한 화학적 표현을 나타내는 나트륨 저장 재료를 개발하고, 우수한 비교 용량과 매우 긴 순환 안정성을 보유하고 있는 그래피딘 유형의 탄소 재료가 에너지 저장 분야에서 거대한 응용 잠재력을 보유하고 있다는 점을 입증함.

나트륨 원소는 전 세계적으로 함유량이 제일 풍부하고 가격이 낮으며 취득하기 쉽기 때문에 나트륨 이온 배터리와 커패시터의 원가가 리튬 이온 배터리보다 많이 낮을 수 있고, 특히 대형 에너지 저장 장치에 대해 나트륨 이온 배터리와 커패시터는 지속 가능한 우세를 한층 더 보유하고 있기 때문에 나트륨 이온 배터리에 대한 연구는 신속하게 전 세계 과학연구 인원들의 주목을 받고 있는 상황임. 하지만 해당 배터리의 음극 재료인 흑연은 낮은 용량과 순환 안정성 관련 문제는 줄곧 개선해야 할 과제로 남아있는데 본 연구팀이 그래피딘(graphdiyne)에 기반을 둔 나트륨 이온 배터리와 커패시터 음극 재료를 개발함. 또한, 그래피딘에 대한 분자 디자인을 통해 수소 원소를 도입하고 균일한 결함이 있는 수소로 그래피딘 유형의 탄소 재료를 대체하였으며, 도입된 수소로 그래피딘을 대체한 후 나트륨 저장 분야에서 모두 더욱 높은 이론적 비교 용량(＞1200 mAh/g)과 실험 비교 용량(＞600 mAh/g)을 나타낸 동시에 우수한 방전 용량 비(rate capability)를 보유한 순환 안정성을 보유하고 있다는 점을 발견하였음. 최근 연구팀은 수소로 대체한 그래피딘(HsGY)을 디자인하고 제조하는데 성공하였는데 그 중 대량의 아세틸렌(acetylenic) 결합의 큰 공(孔)과 중공(中孔) 구조는 전해질의 신속한 침투에 유리하고, 확산과 전송 루트를 단축하고, 전극의 방전 용량 비(rate capability)와 순환 안정성을 향상시키는 것으로 나타났음. HsGY 전극 재료가 2차원과 3차원 층상 다공성 재료의 특징을 모두 보유하고 있는 장점을 이용하여 나트륨 이온은 대량으로 HsGY의 평면 내와 평면 외에 저장될 수 있는 동시에 나트륨 이온은 쉽게 HsGY 층 내에 확산 이동하거나 층 간 왕복 전송을 진행할 수 있는 것으로 나타났음. 관련 안정성 테스트 결과에 따르면, 5,000mAh/g의 큰 전류 밀도 하에서 5,900회 순환할 경우 가역 용량도 안정적으로 320mAh/g 수준에 도달하여 96%의 우수한 용량 유지 비율을 실현할 수 있는 것으로 나타났음.

성과는 신형 탄소 기반 재료 디자인 및 제조와 에너지 저장 분야에서 중요한 역할을 발휘할 것으로 전망되는 동시에 촉매 개발 분야에 대해서도 중요한 가이드 역할을 발휘할 것으로 전망되며, 그래피딘 유형의 탄소 재료는 에너지 설비 개발 및 응용 분야에서도 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Journal of Material Chemistry A’ 에 게재됨