[위즈뉴스] 국내 연구진이 차세대 이온전지로 각광받고 있는 '칼륨 이온전지'의 성능을 획기적으로향상시킨 연구 결과를 발표했다.
고려대(총장 정진택)는 4일, 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 서울대 박원철 교수 연구팀, 서강대 백서인 교수 연구팀과 공동연구를 통해 질소와 황이 도핑된 계단식 그래핀 나노리본을 합성하고 산화환원반응 간 이동장벽을 극복하여 포타슘(칼륨) 전지의 전기화학 성능을 크게 향상시켰다고 밝혔다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈(Energy Storage Materials, IF=17.789)' 3월 26일자에 게재됐다.
논문명은 'Nitrogen and sulfur co-doped graphene nanoribbons with well-ordered stepped edges for high-performance potassium-ion battery anodes'이며, 고려대 유승호 교수가 교신저자로, 고려대 김애화 박사와 서울대 최주형 박사, 서강대 정현동 석사과정생이 공동제1저자로 참여했다.
연구팀의 유승호 교수는 “이번 연구는 구조가 제어되고 외부원소가 도핑된 그래핀 재료가 차세대 포타슘 이온전지 음극재로 활용될 수 있다는 가능성을 보여주었다"며 "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 말했다.
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.
이처럼 포타슘 전지의 음극재로써의 장점과 탄소기반 나노 물질의 화학적 안정성과 가벼운 무게가 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 및 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 반응 간의 포타슘 이온의 높은 에너지 장벽을 극복하여 고성능의 안정적인 포타슘 전지의 성능을 구현했다.
[그림설명] 계단식 구조의 그래핀 나노리본 구조의 투과전자 현미경 이미지 (왼쪽)와 포타슘 이온의 전기화학적 삽입 반응과정의 모식도 (오른쪽)
연구팀은 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.
