<사진. 3차원의 주름진 그래핀을 포함하는 황화 니켈 전극 재료의 충전/방전 메커니즘의 구조도. 방전 동안에, 주름진 그래핀을 포함하는 황화 니켈은 확장되고 주름진 그래핀은 자발적으로 펼쳐지는데, 이것은 그래핀 기질 속에 니켈 나노입자와 Li2S를 발생시킨다. 충전 동안에, 주름진 그래핀은 다시 접혀지고 원래의 주름진 그래핀을 포함한 황화 니켈을 형성한다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

리튬 이온 배터리의 성능을 향상시키는 쭈글쭈글한 그래핀

중국 연구진은 고에너지 리튬 저장 재료의 성능을 향상시키기 위해서 쭈글쭈글한 그래핀이 포함된 전극을 사용했다.

지난 20년 동안에, 리튬 이온 배터리는 많은 소비재, 의료용 장치, 우주 및 군사용 기술을 위한 휴대용 전원으로서 폭넓게 사용되었다. 그러나 삽입/탈삽입(intercalation/de-intercalation) 메커니즘 때문에, 현재의 Li-ion 배터리의 에너지 밀도는 전기자동차 배터리에 필요한 동력 수요를 완전히 만족할 수 없다.

이번 연구진은 리튬 이온 배터리의 성능을 향상시키는데 쭈글쭈글한 그래핀을 사용했는데, 이것은 리튬 이온 배터리의 전기용량을 향상시키기 때문에 전기 자동차용 리튬 이온 배터리에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 전환 반응을 기반으로 하는 전극 재료들은 높은 이론적 비용량과 에너지 밀도로 매우 각광을 받고 있다. 그러나 이런 종류의 재료는 충전/방전 프로세스 동안에 높은 부피 및 구조적 변화로 어려움을 겪고 있다. 이것은 사이클링 성능에 치명적인 영향을 끼친다.

우공 이공대학(Wuhan University of Technology)의 연구진은 신축성을 가진 보호 쉘(shell)이 이런 한계를 극복할 수 있다는 가설을 세웠다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 8월 1일자로 게재되었다. 이번 연구진은 뛰어난 고에너지 리튬 저장 재료로서 3차원의 주름진 그래핀을 포함하는 황화 니켈 전극을 제시했다.

주름진 그래핀을 포함하지 않는 전극과 비교했을 때, 이번 연구진이 개발한 전극은 배터리의 성능을 상당히 향상시켰다. 특히 사이클 안정성과 방전 용량비(rate capability)에서 큰 향상을 이끌었다. 향상된 성능은 연속적인 전자 경로를 제공하는 3차원 구조 때문이다.

이번 연구팀에 따르면, 배터리는 작동 전극으로서 주름진 그래핀이 포함된 전극을 사용해서 조립되었고 상대/기준 전극으로서 리튬 호일은 매우 향상된 사이클링 성능을 가졌다. 배터리는 거의 1,000주기 동안에 순환될 수 있고 용량은 거의 변하지 않는다. 주름진 그래핀이 없는 전극은 단지 150 사이클 동안에 성능이 유지된다.

이번 연구팀은 이전에 수십 마이크로미터의 길이를 가진 그래핀 스크롤이 V3O7과 MnO2 나노와이어 속의 전기화학적 성능을 매우 향상시킨다는 것을 보고했다. 주름진 그래핀 쉘의 안정화 효과와 최적화된 사이클링 안정성 및 방전 용량비 사이의 관계성을 조사하기 위해서, 이번 연구진은 중국과학기술대학(University of Science and Technology of China), 물리학 연구소(Institute of Physics), 중국과학원(Chinese Academy of Sciences)과 협력했다. 이번 연구진은 주름진 그래핀의 자가 적응성을 확인하기 위해서 in situ 및 ex situ TEM과 분자 역학 시뮬레이션을 활용했다.

이 연구결과는 매우 흥미롭다. 주름진 그래핀은 자발적인 폴딩(folding)/언폴딩(unfolding) 반응을 가졌다. 3차원의 주름진 그래핀이 포함된 황화 니켈 전극은 2단계의 수욕(water bath)과 수열 프로세스에 의해서 제조되었다. 이것은 주름진 그래핀이 포함된 재료가 습식 화학(wet chemistry) 환경에서 디자인되고 제조된 최초의 사례이다. 이것은 모세관 압축(capillary compression) 또는 열적 팽창과 같은 이전의 방법과 다르다.

주름진 그래핀 구조들은 첨단 리튬 배터리를 위한 고에너지, 고전력밀도, 우수한 안정성 등을 가진 유망한 재료들이다. 또한 그들은 재료 보호, 바이오닉 디자인, 약물 전달 등과 같은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Self-adaptive strain-relaxation optimization for high-energy lithium storage material through crumpling of graphene”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms5565).

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr