KIGAM 한국지질자원연구원

지질자원硏,‘차세대 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 활성 그래핀 제조 기술’세계 최초 개발

 ▶ 지질자원硏 장희동 박사 연구팀, 그래핀의 결정구조를 활성화시켜 고효율의   안정성을 갖는 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 응용기술 세계 최초 개발
   - 에너지저장소재 분야 최고 저널인 Advanced Energy Materials (IF 24.884)에 게재

 ▶ 에어로졸 공정에 의해 제조된 구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 산화 공정을 통해 활성 그래핀을 최초로 제조한 연구 성과

□ ‘꿈의 나노 물질.꿈의 신소재’라 불리는 그래핀(Graphene)*을 칼륨과 나트륨 이온 전지용 소재로 적용한 응용기술이 세계 최초로 개발됐다.
*탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 얇은 막 형태의 나노 소재. 연필심의 재료인 흑연은 탄소가 층으로 쌓여 있는‘단일층’구조인데 이 흑연의 한 층을‘그래핀(Graphene)’이라 부른다. 그래핀은 전기가 잘 통하고, 열전도성이 높다.

□ 한국지질자원연구원(원장 김복철, KIGAM) 장희동 박사 연구팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀은 에어로졸 공정으로 제조된 구겨진 종이공 모양의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리 활성화 과정을 통해 칼륨 및 나트륨 이온 전지용 소재에 적용하는데 성공했다.

□ 현재 널리 활용되고 있는 이차 전지인 리튬 이온 전지의 대체재로 고효율의 높은 안정성을 갖고 있는 칼륨 및 나트륨 이온전지*의 개발이 요구되고 있다. 특히 2차원 구조 나노소재로서 강도, 열전도율, 전기전도도 등에 있어 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재인 그래핀이 새로운 전극 물질로서 주목 받고 있기에 이번 연구 성과가 의미하는 바가 크다고 할 수 있다.
*칼륨 이온배터리는 전압이 높고 에너지 밀도가 크다. 나트륨이온배터리는 안전하고 가격이 싸며 원료 확보가 용이해 차세대 대용량 배터리의 대체재로 주목받고 있다.

□ 장희동 박사 연구팀은 구조.화학적으로 안정한 구겨진 종이공 형상의 그래핀 결정 구조를 조절.활성화시켜 칼륨 및 나트륨 이온 전지용으로 적용했다. 활성 그래핀을 사용한 이온 전지는 높은 저장 용량, 고속 충방전 및 장시간 안정성 등의 우수한 물성을 나타냈다.
  ○ 특히, 이번 연구의 활성 그래핀은 에어로졸 공정으로 제조된  구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물을 부분 환원 및 저온 열처리를 통해 활성화시킨 것으로 세계 최초로 시도된 것이다.

□ 연구팀은 제조된 활성 그래핀의 전기화학 특성 평가 후 밀도함수 이론 분석을 수행했다. 그 결과 적용된 기술이 칼륨 및 나트륨 이온 전지로 모두 매우 우수한 물성을 나타내고 있음을 확인했다.
  ○ 특히 칼륨 이온 전지는 가역 정전 용량이 340 mAhg-1 이었고, 나트륨은 280 mAhg-1 이었으며 8,000 사이클 이후에도 높은 안정성을 유지했다. 

□ 기존 연구들에서는 칼륨 및 나트륨 이온 전지의 전극 물질로 흑연을 적용한 연구가 수행됐으나 충.방전시 그 속도가 저하돼 장시간 사용 시 효율과 안정성이 낮아지는 문제점이 있었다.  이러한 문제를 해결코자 그래핀을 사용한 연구가 시도됐으나 그래핀 시트 간의 재적층 현상*으로 인해 우수한 물성의 결과물을 얻지 못했다. *2차원 구조의 그래핀들이 서로 붙어 다시 적층(층층이 쌓임)돼 우수한 특성을 잃어버리는 문제점이 발생
  ○ 이러한 점에 착안한 연구팀에서는 재적층이 발생하지 않는 구겨진 종이공 형상의 물성이 좋은 활성 그래핀을 제조해 기존 연구의 한계점을 극복했다.

□ 연구팀은 이번 연구 결과가 차세대 에너지 저장 장치의 전극 소재로서, 칼륨 및 나트륨 이온 전지의 실질적 활용 가치를 증명했다는 점에서 큰 의의를 두고 있다. 더불어 향후 기술 실용화와 상용화가 이뤄질 경우 기존 리튬 이온 저장 장치를 대체 할 수 있는 수십 조 원 이상의 경제적 효과가 창출될 것으로 기대하고 있다.

□ 교신저자인 장희동 박사는 “이번 연구 결과는 활성 그래핀을 활용한 칼륨 및 나트륨 전극 소재가 차세대 이차 전지의 원료 소재로 높은 활용 가능성을 보여주었다는 점에서 가치가 있다”고 말하며, “자원빈국인 우리나라가 차세대 에너지저장장치를 선도할 수 있도록 기술 실용화에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.

□ 한국지질자원연구원 김복철 원장은 “이번 연구는 그동안 광물자원 활용분야의 그래핀 복합체 제조기술 연구의 결정체로 향후 에너지저장장치에 바로 적용될 수 있는 우수한 연구성과다”고 강조하며, “이러한 연구 결과를 실용화하고 상용화해 국가와 국민이 유용하게 활용할 수 있는 연구 성과 창출을 위해 모든 연구자가 노력하겠다”고 말했다.

□ 한국지질자원연구원의 이번 연구성과는 에너지 저장소재 분야 세계 최고 저널인 Advanced Energy Materials (IF 24.884)에 실렸으며, KIGAM 장희동 박사팀과 미국 조지아공대 이승우 교수팀과의  공동 연구를 통해 얻어진 결과이다. 

(그림 1). 활성화된 구겨진 형상의 그래핀(A-CG) 합성과정 모식도

그림 설명: 그래핀 산화물이 포함된 액정으로부터 에어로졸 공정에 의해 제조된 구겨진 종이공 형상의 그래핀 산화물과 이를 저온 열처리에 의한 부분 환원 및 산화 공정을 통해 활성화 그래핀을 제조하는 공정 개요도를 나타낸 그림.

(그림 2). 결정 구조 제어된 그래핀에 흡착되는 알칼리 이온의 흡착 모식도

그림 설명: 부분 환원 및 활성화 공정 통해 결정 구조가 제조된 그래핀의 결정 내부에 알칼리 이온(칼륨, 나트륨)이 이동되는 경로를 나타낸 그림.

※ 참고자료
1. 연구내용 설명 (4-5쪽)
2. 그림설명 (6쪽)
3. 연구자 이력사항 (7쪽)