계단식 구조로 정렬된 그래핀 나노리본으로 차세대 포타슘 전지 성능향상
서울대-서강대 연구팀과의 공동연구로 고성능 포타슘 이온전지 개발
고려대학교(총장 정진택) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자: 김애화 박사)이 서울대 박원철 교수팀(제1저자: 최주형 박사), 서강대 백서인 교수팀(제1저자: 정현동 석사과정)과의 공동연구를 통해 질소, 황이 도핑된 계단식 그래핀 나노리본을 합성하고 산화환원반응 간 이동장벽을 극복하여 포타슘 전지의 전기화학 성능을 크게 향상시켰다.
연구 성과는 국제 저명 학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈(Energy Storage Materials)’ (IF=17.789)에 3월 26일 게재됐다.
현재 상용화되어 있는 리튬이온전지는 증가하는 리튬 수요와 함께 제조 단가가 높아지고 있으며, 이에 따라 리튬을 대체할 차세대 대용량 전지 개발이 요구되고 있다. 그 중 포타슘은 가격이 싸고 매장량이 풍부하며, 리튬 이온의 고유전위(-3.04V)에 근접한 표준전극 전위(-2.93V)를 가짐으로서 리튬이온전지 못지않은 에너지를 저장할 수 있다.
이러한 포타슘 전지의 음극재로써, 탄소기반 나노 물질은 화학적 안정성과 가벼운 무게를 가지고 있어 각광받고 있다. 그러나 포타슘 이온의 전기화학 삽입/탈리 간의 높은 에너지 장벽은 탄소의 표면에서만 포타슘 이온이 저장되는 흡/탈착 반응을 야기하며, 결과적으로 완전지의 조립 시 낮은 에너지밀도를 갖게 된다. 따라서 포타슘 전지에서 높은 성능을 위해서 포타슘의 원활한 삽입/탈리는 매우 중요하다.
기존의 질소, 황이 도핑된 그래핀 구조는 전기화학 성능을 크게 향상시켰지만 무질서한 그래핀의 배열로 인해 높은 충전 속도에서 그래핀 표면에만 전하가 저장되는 단점이 있었다. 이번 연구에서는 탄소나노튜브 지지체에 연결된 계단 형태의 그래핀 나노리본 정렬 구조를 합성하고, 이를 통해 충/방전 반응간의 포타슘 이온의 높은 에너지 장벽을 극복하여 고성능의 안정적인 포타슘 전지의 성능을 구현했다.
[ 그림설명 ] 계단식 구조의 그래핀 나노리본 구조의 투과전자 현미경 이미지 (왼쪽)
포타슘 이온의 전기화학적 삽입 반응과정의 모식도 (오른쪽)
유승호 교수팀은 다양한 전기화학 분석을 이용하여 질소, 황이 공동으로 도핑된 그래핀 나노리본 구조의 향상된 전기화학 특성을 확인했으며, 우수한 포타슘 전지 시스템을 구축하여 높은 성능의 이차전지 성능을 구현했다.
이번 연구에서는 고속 충전에서도 여전히 낮은 구동전압을 유지하며, 500회 이상의 충/방전 과정에서 안정적인 구동을 검증했다. 또한 밀도범함수이론(DFT) 계산을 이용하여 그래핀 나노리본의 계단식 구조에 따른 포타슘 이온의 이동장벽과 질소, 황 도핑에 따른 이동장벽을 계산하고 높은 전기화학 성능 구현에 대한 근거를 이론적으로 뒷받침했으며, 탄소 음극재의 이와 같은 특성을 활용한 우수한 포타슘 전지 개발 가능성을 검증했다.
유승호 고려대 교수는 “이번 연구는 구조가 제어되고 외부원소가 도핑된 그래핀 재료가 차세대 포타슘 이온전지 음극재로 활용될 수 있다는 가능성을 보여주었고, 앞으로 다양한 원소를 도핑하고 적합한 구조를 갖는 탄소 재료를 개발하는 것이 포타슘 이온전지를 비롯한 차세대 전지의 성능을 높이는 데 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.
<유승호, 고려대학교 화공생명공학과, 교신저자>
1. 인적사항
- 소속 : 고려대학교 화공생명공학과
- 전화 : 02-3290-3297
- e-mail : seunghoyu@korea.ac.kr
2. 학력
2004-2008 학사, 서울대학교 화학생물공학부
2008-2013 박사, 서울대학교 화학생물공학부
3. 경력사항
2021-현재 고려대학교 화공생명공학과 교수, 부교수
2019-2021 고려대학교 화공생명공학과 교수, 조교수
2015-2019 코넬대학교, Department of Chemistry and Chemical Biology,
박사후 연구원
2014-2015 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 선임연구원
2013-2014 서울대학교 신소재 연구소 연구원
<JINAIHUA (김애화), 고려대학교 화공생명공학과, 제1저자>
1. 인적사항
- 소속 : Yanbian University 화학과
- 전화 : 02-3290-3826
- e-mail : jinaihua@ybu.edu.cn
2. 학력
2007-2011 학사, Yanbian University, 화학공학
2012-2014 석사, 서울대학교 화학생물공학부
2014-2018 박사, 서울대학교 화학생물공학부
3. 경력사항
2021-현재 Yanbian University 화학과, 조교수
2019-2021 고려대학교 화공생명공학과, 연구교수
2018-2019 서울대학교 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단, 선임연구원
