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성능 향상과 급속 충․방전 가능한 이차전지 음극소재 개발
플루오린이 결착된 컨톨티드 헥사벤조코로넨 (F-cHBC) 음극 제조 및 배터리 적용 모식도
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 안석훈 박사팀은 울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영) 에너지 및 화학공학부 강석주 교수, 곽상규 교수팀과 공동연구를 통해 리튬(Li) 및 나트륨(Na) 이차전지용 음극 소재의 성능을 향상시킬 수 있는 유기물 음극물질을 개발하였다고 4일 밝혔다.
기존의 리튬 이차전지에서 음극으로 사용하는 흑연(graphite)은 이론상 높은 용량을 보이지만 충전율이 느린 치명적인 단점이 있어 차세대 에너지 저장 장치로 사용하는 데 한계가 있다.
이에 따라 리튬 이온의 음극 표면 산화ㆍ환원 반응을 바탕으로 상대적으로 높은 에너지 밀도와 충전 속도를 보이는 슈퍼커패시터* 연구가 활발히 이루어지고 있다.
하지만 기존에 보고된 망간산화물, 또는 철산화물과 같은 금속산화물들을 무겁고 낮은 전기 전도성을 보이는 금속산화물의 단점들로 인해 새로운 유기물 기반의 음극 개발이 필요한 실정이었다.
이에 공동연구진은 슈퍼커패시터 저장장치의 새로운 형태의 음극 물질 개발을 위해 휘어진 유기물(헥사벤조코로넨, contorted hexabenzocoronene)에 네 개의 플루오린(F) 원자를 결합시켰다.
개발한 음극을 이온전지에 적용하였는데, 고전류(7A/g)의 충·방전 시에 약 100mAh/g 용량 유지를 확인하였고, 약 400회 이상 충·방전하여도 안정적인 구동이 가능하다고 밝혔다.
또한, 나트륨이온전지에도 적용 가능하여 약 100회 이상의 안정적인 충ㆍ방을 확인하였다. 특히, 나트륨 이온은 리튬 이온보다 원자 지름이 커서 플루오린(F)의 강한 표면 반응으로 소듐 이온을 저장하고 높은 충전율을 보였다.
또한 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 플루오린 원자가 분자 내에 존재하면서 높은 전기음성도(electronegativity)로 인해 리튬 및 소듐 이온 확산 속도를 증가시키는 역할을 함으로써 높은 전류에서 빠른 충ㆍ방전이 가능함을 밝혀냈다.
KIST 안석훈 박사는 “이번 연구성과는 표면 화학 반응을 통해 빠른 충ㆍ방전을 이룰 수 있어 차세대 유기물 기반 리튬 및 나트륨 이온 저장 장치 음극 물질 설계의 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
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